Research¶
Overview¶
DXやAIの急速な普及に伴い、データセンターのエネルギー消費は年々増加しています。これに対応するためには、再⽣可能エネルギーの効率的な活⽤や、廃熱を⾼度に 利⽤する技術の確⽴が喫緊の課題となっています。さらに、量⼦技術などの最先端分 野では、デバイスの性能や動作の安定性を左右する要素として温度管理が重要であり、 その精緻な制御が不可⽋です。熱をはじめとするエネルギー輸送現象を深く理解し、 ⾃在に制御する技術は、持続可能な社会を⽀える基盤として、あらゆる産業分野にお いて強く求められています。
本研究室では、こうした社会課題に応えるべく、微視的視点から材料の物性を理解 し、それを制御するための学理と技術の構築を⽬指しています。理論・数値解析・計 測技術を融合した総合的なアプローチにより、ナノスケールからバルクスケールに⾄ るまで、材料の物性を多階層的に解明し、新たな機能性材料やデバイスの創出に取り 組んでいます。
As digital transformation (DX) and AI continue to spread rapidly, the energy consumption of data centers is rising year by year. Addressing this trend requires the efficient use of renewable energy and the establishment of advanced technologies for waste-heat recovery. In cutting-edge areas such as quantum technologies, temperature management critically affects device performance and operational stability, making precise control indispensable. A deep understanding of energy-transport phenomena—particularly thermal transport—and the ability to control them are increasingly demanded across industries as a foundation for a sustainable society.
To meet these societal needs, our laboratory aims to understand materials properties from a microscopic perspective and to build the scientific principles and technologies for controlling them. Through an integrated approach that combines theory, numerical simulation, and measurement techniques, we elucidate materials properties across multiple length scales—from the nanoscale to the bulk—and pursue the creation of novel functional materials and devices.
Projects¶
界面熱輸送制御/Interfacial thermal engineering
デバイスの微細化が進むにつれて、バルクの熱抵抗に比べて界面熱抵抗（thermal boundary resistance; TBR）が支配的になります。TBR を適切に制御することは、半導体やパッケージなどの熱マネジメントに直結する重要課題です。異種材料間の TBR は、界面の原子結合状態、粗さ、汚染、格子ミスマッチ、欠陥、応力など多様な因子に依存し、その設計は複雑です。
本プロジェクトでは、分子動力学（MD）や非平衡グリーン関数（NEGF）といった原子レベルのシミュレーションに、時間領域／周波数領域サーモリフレクタンスを中心とする精密熱計測を組み合わせ、界面熱輸送の機構解明を進めます。その知見に基づき、界面改質・中間層導入・接合条件の最適化などにより TBR を能動的に調整し、用途に応じて「熱を通す／遮る」を設計できる指針の確立を目指します。
As devices continue to shrink, thermal boundary resistance (TBR) becomes comparable to—or even dominates over—the bulk thermal resistance. Controlling TBR is therefore crucial for effective thermal management in semiconductors and advanced packaging. The TBR between dissimilar materials depends on a complex set of factors, including atomic bonding configuration, interfacial roughness, contamination, lattice mismatch, defects, and residual stress.
In this project, we combine atomistic simulations—molecular dynamics (MD) and non-equilibrium Green’s functions (NEGF)—with precision thermal metrology based on time-domain and frequency-domain thermoreflectance (TDTR/FDTR) to elucidate the mechanisms of interfacial heat transport. Building on these insights, we actively engineer TBR through interface modification, insertion of interlayers, and optimization of joining conditions, aiming to establish design rules that let us transmit or block heat on demand.
ナノ階層構造体のマルチスケール構造物性評価/Multiscale Characterization of Hierarchical Nanostructures
ナノチューブやグラフェンなどの低次元材料は、優れた機械・電気・熱特性を示しますが、薄膜化や繊維化などのバルク化の過程で本来の性能が大きく損なわれるという課題があります。これらが集合して形成するマルチスケール構造体では、ナノ材料同士が相互作用しながらネットワークを構成するため、構造は極めて複雑になります。
本プロジェクトでは、粗視化分子動力学（CGMD）などの分子シミュレーションに基づいて実材料の複雑な形成過程を再現し、ネットワーク科学の手法と組み合わせて、熱・電気などの輸送特性を規定する構造的要因を同定することを目指します。
Low-dimensional materials such as carbon nanotubes and graphene exhibit outstanding mechanical, electrical, and thermal properties; however, their intrinsic performance often degrades substantially during bulk processing (e.g., film formation or fiber spinning). In bulk form, assemblies of these nanoscale building blocks interact to create multi-scale, networked architectures of high complexity.
In this project, we employ coarse-grained molecular dynamics (CGMD) and related molecular simulation techniques to reproduce the complex formation processes of real materials, and integrate them with network-science approaches to identify the structural determinants of transport properties—in particular, heat and charge conduction.
時空間熱制御/Spatiotemporal thermal control
熱の実体であるフォノン（格子振動の量子）を時間・空間の両軸で能動的に制御し、熱伝導を動的かつ指向的に操ることを目指します。低次元材料を対象に、電場・磁場、光照射、電気化学的ドーピングなどの外場を印加して熱伝導率を瞬時にスイッチングする技術の確立に取り組みます。さらに、時空間的に熱伝導率を変調することで熱伝導に非相反性を導入し、熱ダイオード効果の発現を狙います。
We aim to actively manipulate phonons—the quanta of lattice vibrations—in both time and space to achieve dynamic, directional control of heat conduction. Focusing on low-dimensional materials, we apply external stimuli—electric and magnetic fields, optical excitation, and electrochemical doping—to enable instantaneous switching of thermal conductivity. We further pursue spatiotemporal modulation of conductivity to introduce nonreciprocity in heat transport and realize thermal-diode functionality.