研究内容

研究目標

新電子材料の光・テラヘルツ機能創製と新規デバイス応用
ならびに超伝導フォトニクス・テラヘルツ工学分野の開拓

主な研究内容

(1) テラヘルツバイオ分野の開拓
(2) テラヘルツナノ科学の創成
(3) 超高速半導体時空間分析
(4) 産学連携新産業機器開発

具体的なテーマ

１．材料科学
　新電子材料：グラフェン、ナノチューブ、化合物原子層材料、強相関電子材料
　物性科学： 光・テラヘルツ科学と超高速電荷ダイナミクス
　新領域 ： 新現象・新機能の探索

２．デバイス開発
　新規デバイス： テラヘルツフォトニックデバイス、ハイブリッドデバイス
　光演算・信号処理デバイス、超伝導光Qubit など
　探索的応用 ： テラヘルツ無線デバイス・基盤技術

３．応用システム開発
　テラヘルツ波応用 ： テラヘルツ時間領域分光、イメージング装置
　３D テラヘルツ断層・散乱イメージング装置
　新機能顕微鏡 ： テラヘルツ放射顕微鏡、磁気光学効果顕微鏡
　超LSI 不良箇所特定装置開発

研究開発の具体的取り組み

1. “テラヘルツナノ科学研究分野の創製” 我々は、テラヘルツ科学とナノ科学の融合を提案し、2011年11 月テラヘルツナノ科学に関する国際シンポジウムをスタートさせた。テラヘルツ波周波数で、300GHz から30THz 程度の電磁波で、波長では３μm から3mm に対応し、ナノスケールとはかけ離れている。しかし、ナノスケールの一機能が階層的に連結され、細胞や電子デバイスの実世界では大きなサイズで総合的に機能する。また、テラヘルツ波によりナノスケースの物性を集団的に励起・操作することが可能となりつつあり、これからの重要分野と成長するであろう。

HFD: Hierarchic Functional Development, SCF: Stimulated Cooperative Function, SC:Superconductor, QW: Quantum Well, NC: Nanocarbon.

2. “ナノ材料の光・テラヘルツ科学”ナノチューブ、グラフェン、新原子層材料、強相関電子系材料、メタマテリアルなど、次世代を切り開く新電子材料の光・テラヘルツ機能の創製と新機能デバイス開発に取り組む。

Temperature-programed THz emission spectroscopic imaging THz conductivity of graphene, optical response of multiferroic, BiFeO3, and THz electromagnetic response of metamaterials.

3. “テラヘルツバイオ科学” テラヘルツ波は、大きな分子の分子間振動、水素結合、水和ダイナミクスなどをとらえることができるため、バイオセンシングの新技術として期待されている。我々は、テラヘルツ分析の弱点である微量計測の克服に取り組んでいる。これまでに新機能バイオチップを開発し、50 フェムトモルの水中イオンの観測に成功するなど世界をリードする成果を挙げている。

THz Bio-Chip

4．テラヘルツナノ科学、テラヘルツバイオセンシング、テラヘルツ産業応用を開拓する新しいテラヘルツ機器（テラヘルツ放射顕微鏡、近接場テラヘルツイメージングシステム、レーザー磁気光学顕微鏡など）を世界のオンリーワン技術として開発している。

Scanning laser near field THz emission time domain spectroscopy and imaging system.
System, LTEM image of GaN with PL image, pump&probe LTEM(Dynamic THz emission microscope(DTEM)

Scanning laser near field THz emission time domain spectroscopy and imaging system, humansingle hair LTEM image, and human blood glucose vs optical constant.


Temperature-programed THz emission spectroscopic imaging system.

 

THz parallel plate waveguide spectroscopy system for ultrathin conductive materials. Transmittance of low carrier density graphene and 4nm gold film transmittance with fits by Drude-Smith model.

 

Scanning laser magneto-optical microscope, single vortex trapped in BSCCO and flux quanta in Superconductor device.


主な予算

●R4～6　科学研究費補助金 基盤研究(B) 「共焦点THz近接場分光イメージングシステムの構築とバイオメディカル応用」、（代表者：村上博成）13,600千円／3ヵ年総額（直接経費）
●R3～5　科学研究費補助金 基盤研究(B) 「高感度テラヘルツμTASの開発とナノバイオ分析への応用」、（代表者：芹田和則）13,800千円／3ヵ年総額（直接経費）
●R3～5　科学技術振興機構（JST）　創発的研究支援事業、フェーズ１、「近接場テラヘルツ励起プローブ顕微鏡による１細胞・１分子分光イメージング解析とその応用」、（代表者：芹田和則）20,000千円／3ヵ年総額（直接経費）
●R3 JST研究成果展開事業A-STEP「下水中の新型コロナウイルス存在実態を非標識で検出可能な高感度テラヘルツバイオセンサーの開発」」、（代表者：芹田和則）R3：2,300千円（直接経費）
●R2～4 科学研究費基金 挑戦的研究（開拓) 「生理環境下での細胞測定に適した近接場テラヘルツ顕微鏡の開発とその応用」、（代表者：芹田和則）R2：12,000千円, R3：4,000千円,R4：4,000千円（直接経費）
●R2～4 科学研究費補助金 基盤研究（A) 「バイオ分析用高分解能テラヘルツ分光イメージングシステム」、（代表者：斗内政吉）R2：14,900千円, R3：11,40千円,R4：8,700千円（直接経費）
●R2 コニカミノルタ財団、「テラヘルツ分光イメージング顕微鏡の開発とオンサイト細胞診への応用に向けた研究」、（代表者：芹田和則）1,000千円
●H31～R2　科学研究費助成事業　若手研究（B）　「Development of ulrra-efficient terahertz devices by exploiting multiple exciton generation in single-walled carbon nanotubes」、（代表者：BAGSICAN Filchito）H31：2,500千円, R2：700千円（直接経費）
●H31　岩谷直治記念財団、「地球環境および安全な生活環境保全に資する高感度磁気光学プローブの開発」、（代表者：村上博成）2,000千円
●H30～32 科学研究費助成事業　国際共同研究強化（B）「低次元ナノ材料における局所場光テラヘルツ波変換の科学」（代表者：斗内政吉）H30: 2,900千円, H31: 5,800千円, H32: 5,100千円
●H30～31科学研究費助成事業　挑戦的萌芽研究「極限高速トランジスタ開発に向けた原子層ヘテロ接合型ホットエレクトロンエミッタ」、（代表者：斗内政吉）H30: 3,300千円, H31: 1,600千円
●H30～32 科学研究費補助金 基盤研究(B) 「局所テラヘルツ場増強メタマテリアルチップとそれを用いたナノバイオ計測基盤技術開発」（代表者：芹田和則）H30: 7,600千円, H31: 3,400千円, H32: 2,600千円
●H30 日立財団、「テラヘルツ放射を用いたパワー半導体デバイスの革新的評価技術開発」、（代表者：川山巌）1,300千円
●H30 池谷財団、「カイラリティ制御したカーボンナノチューブからのテラヘルツ放射特性」、（代表者：川山巌）1,080千円
●H30　国際共同研究促進プログラム　「ナノ物質のテラヘルツ機能の開拓」、（代表者：斗内政吉）　H30: 500千円
●H29～31 科学研究費補助金 基盤研究（A) 「超高感度テラヘルツバイオチップの開発」、（代表者：斗内政吉）H29: 22,400千円, H30: 6,300千円, H31:6,300千円
●H29～31　科学研究費補助金 基盤研究(B) 「微小流路デバイスを用いた分析における高分解能・高感度テラヘルツ分光検出法の確立」、（代表者：北岸恵子）H29：4,800千円, H30：5,300千円, H31：3,600千円（直接経費)
●H29〜30　科学研究費補助金 新学術領域研究「テラヘルツ放射を用いた半導体特異構造が誘起する電荷・分極電場の計測」、（代表者：川山巌）H29：3,400,000円, H30：3,200,000円（直接経費)
●H29　村田学術振興財団、「テラヘルツμTASシステムの開発」、（代表者：芹田和則）2,100千円
●H28～30　科学研究費補助金 基盤研究(B) 「窒化ガリウムからのテラヘルツ放射機構の解明と物性評価への応用」、（代表者：川山巌）H28：4,600千円, H29：6,100千円, H30：1,900千円（直接経費)
●H28～29　科学研究費助成事業　挑戦的萌芽研究　「超微量溶液分析用高感度テラヘルツμTASチップの開発」、（代表者：北岸恵子）　2,800千円／2ヵ年総額（直接経費）
●H27～29　国際共同研究促進プログラム　「２次元ナノ物質のテラヘルツ機能の開拓とその応用」、（代表者：斗内政吉）　H27: 6,233千円, H28: 5,174千円, H29: 3,185千円
●H27～30　科学研究費助成事業　若手研究（B）　「微量溶液評価用高感度近接場テラヘルツセンサーの開発とその応用」、（代表者：芹田和則）　3,400千円／4ヵ年総額（直接経費）
●H26〜27　科学研究費補助金 新学術領域研究「原子層科学」公募研究「原子層界面からのテラヘルツ放射の計測と機能開拓」、（代表者：川山巌）H26：2,700,000円, H27：2,400,000円（直接経費)
●H26　村田学術振興財団、「グラフェン/半導体接合によるテラヘルツ波変調素子の開発」、（代表者：川山巌）1,500千円
●H25～27　科学研究費補助金 基盤研究（A)「狭帯域時間領域テラヘルツ光源の開発と応用」、（代表者：斗内政吉）H25: 32,110千円, H26: 8,190千円, H27: 6,500千円
●H25～26　挑戦的萌芽研究「グラフェン／半導体接合からの光励起テラヘルツ波発生とガスセンサー応用」、（代表者：斗内政吉）H25: 2,860千円、H26: 1,170千円
●H24～25　学術研究助成基金助成金　挑戦的萌芽研究「テラヘルツ波をプローブとした新奇な磁気ドメイン観察法の開発」、（代表者：川山巌）H24：1,900,000円, H25：1,200,000円（直接経費)
●H24　科学技術振興機構　研究成果最適展開支援プログラム(A-STEP)　シーズ顕在化タイプ「レーザーテラヘルツエミッション顕微鏡の太陽電池特性計測への応用研究」、（代表者：川山巌）5,980,000 円(総額7,980,000円)
●H23～25　科学研究費補助金 基盤研究（A) 「ポンププローブレーザーテラヘルツ放射顕微鏡の開発と超高速電子デバイス材料の探索」（代表：村上博成) 38,500千円（直接経費)
●H23～24　日本学術振興会　先端拠点事業「ナノカーボンテラヘルツ科学」(代表：斗内政吉) H23: 16,800千円, H24: 17,000千円
●H23～24　JST産業共創基礎基盤「レーザー走査型テラヘルツイメージングシステムの開発と応用分野開拓」(代表：斗内政吉) H23: 14,500千円, H24: 10,627千円
●H22～23　経産省　地域イノベーション創出研究開発事業（大塚電子）、「ファイバー結合型の二次電池非破壊テラヘルツ検査システムの開発」、（代表者：斗内政吉）11,324千円／2ヵ年総額
●H23　科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究「局所場強誘電分極光制御」、（代表者：斗内政吉）4,160千円
●H22～24　科学研究費補助金 基盤研究（A) 「強相関電子材料における光テラヘルツ波機能の創製」、（代表者：斗内政吉）　H22: 33,280千円, H23: 8,320千円, H24: 7,930千円
●H21～23　科学研究費補助金　新学術領域研究(研究課題提案型)、「単一磁束量子素子用超高速光入出力インターフェイス開発」、（代表者：川山巌）20,500千円／3ヵ年総額（直接経費)
●H21　科学技術振興機構　シーズ発掘試験、「超伝導テラヘルツ波検出器の開発」、（代表者：川山巌）2,000千円
●H20～23　科学技術振興機構　戦略的創造研究推進事業　さきがけ、「ナノ構造制御した光生成磁束量子デバイスの創製」、（代表者：川山巌）40,000千円／3ヵ年総額（直接経費）
●H20～22　科学研究費補助金 基盤研究（B) 「高機能磁気デバイスのための高速・高感度光検出システムの開発」（代表：村上博成) 14,500千円（直接経費）
●H19～23 先端研究施設共用イノベーション創出事業　「高強度レーザーが拓く光科学新産業」、（代表者：斗内政吉） 418,400千円/5年
●H19～20　科学研究費補助金基盤研究（B)「高分解能レーザーテラヘルツ放射顕微鏡の開発」、（代表者：斗内政吉） H19: 11,830千円, H20: 7,020千円
●H19～20　科学研究費補助金 萌芽研究「超伝導光演算デバイスの開発」、（代表者：斗内政吉）H19: 1,700千円, H20: 1,600千円
●H19　日本板硝子工学助成会、「高温超伝導薄膜中の光誘起磁束の制御と超高速光演算素子の開発」、（代表者：川山巌）1,500千円
●H18～19　科学研究費補助金 若手研究B、「フェムト秒光パルス照射による光誘起磁束の生成および制御」、（代表者：川山巌）3,500千円／2ヵ年総額（直接経費)
●H16～18　科学研究費補助金 基盤研究（B)（代表：村上博成)「磁気光学ファラデー効果を用いた磁束量子のダイナミクスおよび制御に関する研究」14,900千円（直接経費)
●H16～18　科学研究費補助金 基盤研究（A)「テラヘルツエミッション顕微鏡の開発とLSI故障解析への応用」、（代表者：斗内政吉）H16:33,670千円, H17: 9,620千円, H18: 7,280千円
●H16　村田学術振興財団、「通信波長帯域で動作するテラヘルツフォトミキシング材料の研究開発」、（代表者：川山巌）1,000千円
●H15～17　総務省戦略的情報通信開発制度(SCOPE)、 「半導体・超伝導ハイブリッド光-磁束変換素子に関する研究開発」、（代表者：川山巌）26,000千円／3ヵ年総額
●H15～16　科学研究費補助金 萌芽研究「光磁束量子変換効果を用いた光制御システムの開発」、（代表者：斗内政吉）H15: 2,200千円, H16: 1,300千円
●H14～18　総務省・戦略的情報通信研究開発制度・課題「電子材料からのテラヘルツ電磁波励起と機能デバイス応用に関する研究」（代表：斗内政吉） 72,890千円／5ヵ年総額
●H14～15　科学研究費補助金基盤研究（B)「フォトミキシング励起によるテラヘルツ帯チューナブル局部発振デバイスの開発」、（代表者：斗内政吉）H14: 4,000千円, H15: 2,100千円
●H14～15　科学研究費補助金 萌芽的研究「ジョセフソンプラズマ共鳴現象を用いたテラヘルツレーザー開発のための基礎研究」（代表：村上博成) 3,400千円（直接経費)
●H12～14　科学研究費補助金基盤研究（B)「フェムト秒レーザーによる超伝導電荷変調と新機能フォトニックデバイスの開発」、（代表者：斗内政吉）H12: 6,400千円, H13: 6,500千円, H14: 2,100千円
●H11　村田学術振興財団、（代表者：斗内政吉）　1,500千円
●H10～12　学技術振興事業団　さきがけ研究21　「磁束の量子化過度現象と新規物性の解明」、（代表者：斗内政吉）49,000千円総額
●H10～12　テレコム先端技術研究支援センター　電気通信フロンティア研究　「フェムト秒光パルス検出用超伝導磁束トラップメモリー」、（代表者：斗内政吉）5,000千円総額
●H9～10　科学研究費補助金　奨励研究(A)「超伝導オプティカルフラックスメモリーの開発」、（代表者：斗内政吉）H9: 1,700千円, H10: 500千円

その他プロジェクト分担研究・企業との共同研究多数