高いひずみ検出感度を示すナノグラニュラー材料を開発~ 高感度・省電力かつ高密度集積が可能なひずみゲージの実現に期待~

2025-11-11 東北大学

東北大学の研究グループは、ナノメートルサイズの粒子からなる「ナノグラニュラー構造」が物質の強度や安定性を大きく高めることを明らかにした。電子顕微鏡観察とシミュレーション解析により、粒径が数十〜数百ナノメートルの金属・セラミック材料では、粒界への応力集中が緩和され、き裂発生が抑えられることを確認。さらに、粒子が均一に配置された構造では、疲労や熱による劣化が起こりにくく、従来の粗粒材料より高い耐久性と熱安定性を示した。数値モデル解析では、粒径や結晶配向を制御することで、材料強度と延性の最適化が可能であることも判明。これらの知見は、軽量で高強度な次世代構造材料や電子デバイス部材の設計指針となる。研究成果は、微細構造の制御による材料劣化抑制の新たな原理を提示するものであり、長寿命化・高信頼性化技術への応用が期待される。

高いひずみ検出感度を示すナノグラニュラー材料を開発~ 高感度・省電力かつ高密度集積が可能なひずみゲージの実現に期待~
図1. a:Co26Mg18F56ナノグラニュラー薄膜の高分解能透過電子顕微鏡像。暗い粒子状の部分がCoナノ粒子で、明るい部分がMgF2マトリックスです。
b:ナノグラニュラー薄膜中での電子のトンネル伝導の模式図。電子は絶縁体をトンネルすることでナノ粒子間を伝導します。
c:ナノグラニュラー薄膜に引張ひずみを加えたときの微細構造変化の模式図。図中のsは粒子間距離、dは粒子径です。s0d0はひずみが加わっていないときの粒子間距離と粒径です。ナノ粒子(d)は変形せず、ナノ粒子間のマトリックス(s)のみが変形することで、大きな電気抵抗の変化が起きます。

<関連情報>

大きなゲージ因子を持つ金属-絶縁体ナノグラニュラー膜における高感度機械応答 High-sensitive mechanical response in metal–insulator nanogranular films with large gauge factor

Tomoharu Uchiyama,Cheng Wang,Yui Hasegawa,Nobukiyo Kobayashi,Hiroshi Masumoto,Saburo Takahashi & Sadamichi Maekawa
Scientific Reports  Published:10 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-24084-7

Abstract

Metal strain gauges have been employed for strain and stress measurements for more than 50 years, given their low cost and ease of implementation. However, they face challenges in achieving high sensitivity and miniaturization from the millimeter to the micrometer scale due to their small gauge factor (≃ 2) and low electrical resistivity (≤ 1.1 μΩ∙m). Here, we discovered that metal–insulator nanogranular films can become a novel high-sensitive and micro-scale strain gauge. A Co–(Mg–F) nanogranular film, which comprises metal Co nanogranules and an insulating MgF2 matrix, exhibited a gauge factor 5 times larger and an electrical resistivity 107 times higher than those of practical metal strain gauges. These superior properties originate from the electronic tunneling conduction between the nanogranules, as opposed to the metallic conduction occurring in metal strain gauges. The large gauge factor of nanogranular films is given by the deformation in the intergranular spacing, which causes the modulation of electron tunneling, and thus, the resistivity.

0501セラミックス及び無機化学製品
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