薄膜生成時の枝分かれ現象を、トポロジー・物理・AIの融合で解明～Beyond 5Gを支える基盤技術への応用に期待～〔東京理科大学, 岡山大学, 京都大学, 東北大学, 筑波大学〕

[画像1: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/72793/3063/72793-3063-651b2ed6b2036b443336171ef3a5df21-1950x1110.jpg?width=536&amp;quality=85%2C75&amp;format=jpeg&amp;auto=webp&amp;fit=bounds&amp;bg-color=fff ]東京理科大学と岡山大学、京都大学、東北大学、筑波大学の共同研究成果プレスリリースです。2025（令和7）年 4月 23日国立大学法人岡山大学https://www.okayama-u.ac.jp/＜研究の要旨とポイント＞- 材料表面における薄膜生成時に生じる特徴的な枝分かれ（樹枝成長）は、電子デバイスの電気的特性に大きな影響を与えます。- 数学・物理・人工知能（AI）を融合して薄膜生成時の樹枝状組織を定量的に解析する手法を開発し、その背景にあるメカニズムを明らかにしました。- 本手法は、半導体から通信技術に至るまで、幅広い材料のプロセス最適化に応用できると期待されます。◆研究の概要 東京理科大学先進工学部マテリアル創成工学科の小嗣 真人教授、岡山大学の大林 一平教授、京都大学の平岡 裕章教授らの研究グループは、トポロジーと自由エネルギーを活用した機械学習（AI）解析を実施し、薄膜結晶の電気的特性に大きな影響を与える樹枝状構造の枝分かれメカニズムを明らかにしました。これは、高品質な薄膜結晶の作製プロセスにつながる成果であり、次世代の電子デバイスへの応用が期待されます。 Beyond 5G の実現に向けて、現世代の 5Gよりも一桁以上高いテラヘルツ（THz）周波数帯で動作する電荷移動度の高いデバイスが求められています。そこで現在、次世代電子デバイスに使用する極微細なトランジスタ材料等の作成方法の開発、および構造・機能の解析が広くおこなわれています。特に、銅基板上のグラフェンおよび六方晶窒化ホウ素（h-BN）からなる多層膜は高い電荷移動度を示すことが知られており、半導体デバイス、通信技術、センサー技術など、幅広い応用が期待されています。 また、こうした多層膜構造デバイスの性能を引き出すためには、多層膜そのものに加え、その触媒となる銅基板上における薄膜の高品質な生成も非常に重要となります。しかし、その成長のプロセスやメカニズムの解析手法は、顕微鏡による定性的な観察が主体であり、薄膜成長メカニズムの本質的な理解を深め、材料を最適化するためには、新しい解析手法が求められていました。 今回の研究では、薄膜生成時に見られる樹枝状（枝分かれ）の成長過程にフォーカスしました。基板上に生成される薄膜は、枝分かれをするように広がって成長します。こうした枝分かれ構造は、厚さが不均一になったり、凹凸ができたりする原因となり、その品質に影響を与える大きな障害となっていました。 そこで本研究グループは、数学的なトポロジーの概念と、物理的な自由エネルギーを融合させ、さらに機械学習を組み合わせて解析しました。その結果、薄膜生成時における樹枝状組織と成膜プロセスのリンクを構築し、枝分かれ現象のメカニズムを明らかにすることができました。 この成果は、Beyond 5Gの実現に向けた高品質な薄膜作製に役立つだけでなく、数学、物理、AIの組み合わせという、新しい研究手法を開拓した点でも画期的なものです。 本研究成果は、2025年4月8日にマテリアルズ・インフォマティクスの専門論文誌「Science and Technology of Advanced Materials: Methods」に公開されました。[画像2: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/72793/3063/72793-3063-357388c075a01803a57213bc95e4048a-832x335.jpg?width=536&amp;quality=85%2C75&amp;format=jpeg&amp;auto=webp&amp;fit=bounds&amp;bg-color=fff ]図. 今回のワークフロー。１.データ生成、２.トポロジー（パーシステントホモロジー）による評価、３.機械学習により、構造とプロセスをリンクし、可視化。４.自由エネルギーの変化を解析◆論文情報 雑誌名： Science and Technology of Advanced Materials: Methods 論文タイトル： Linking Structure and Process in Dendritic Growth Using Persistent Homologywith Energy Analysis 著者： Misato Tone, Shunsuke Sato, Sotaro Kunii, Ippei Obayashi, Yasuaki Hiraoka, Yui Ogawa, Hirokazu Fukidome, Alexandre Lira Foggiatto, Chiharu Mitsumata, Ryunsuke Nagaoka, Arpita Varadwaj, Iwao Matsuda, Masato Kotsugi DOI： 10.1080/27660400.2025.2475735◆研究資金 本研究は、科学技術振興機構（JST-CREST・助成番号JPMJCR21O4）の支援を受けたものです。また研究の一部は、日本学術振興会（KAKENHI）科学研究費助成事業（A）（21H04656）、挑戦的研究（萌芽）（19K22117）およびBeyond 5G研究開発プロジェクト（助成番号：05901）、およびJST未来プログラム（助成番号：JPMJMI22708192）の支援を受けたものです。◆発表者 刀根 三聖 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 2021年度 学部卒 佐藤 駿丞 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 2022年度 修士卒 國井 創大郎 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 2021年度 修士卒 大林 一平 岡山大学 学術研究院異分野融合教育研究領域（AI・数理）教授 平岡 裕章 京都大学 高等研究院 センター長・教授 小川 友以 NTT物性科学基礎研究所 主任研究員 吹留 博一 東北大学 電気通信研究所 准教授 Alexandre Lira Foggiatto 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 助教 三俣 千春 筑波大学 数理物質系 教授、東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 客員教授 長岡 竜之輔 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 博士課程1年 Arpita Varadwaj 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 博士研究員 松田 巌 東京大学 物性研究所 教授 小嗣 真人 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 教授◆詳しい研究内容について 薄膜生成時の枝分かれ現象を、トポロジー・物理・AIの融合で解明～Beyond 5Gを支える基盤技術への応用に期待～ https://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/press_r7/press20250408-1.pdf[画像3: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/72793/3063/72793-3063-07ddde90c4369eb076c6062e6ef7b110-1486x220.png?width=536&amp;quality=85%2C75&amp;format=jpeg&amp;auto=webp&amp;fit=bounds&amp;bg-color=fff ]◆本件お問い合わせ先＜研究に関する問い合わせ先＞ 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 教授 小嗣真人＜報道・広報に関する問い合わせ先＞ 東京理科大学 経営企画部 広報課 TEL：03-5228-8107 FAX：03-3260-5823 岡山大学 総務部 広報課 TEL：086-251-7292 FAX：086-251-7294 京都大学 広報室 国際広報班 TEL：075-753-5729 FAX：075-753-2094 東北大学 電気通信研究所 総務係 TEL：022-217-5420 筑波大学 TEL：029-853-2040 FAX：029-853-2014＜岡山大学の産学官連携などに関するお問い合わせ先＞ 岡山大学研究・イノベーション共創機構 産学官連携本部 〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中1-1-1 岡山大学津島キャンパス 本部棟1階 TEL：086-251-8463 E-mail：sangaku◎okayama-u.ac.jp ※ ◎を@に置き換えて下さい https://www.orsd.okayama-u.ac.jp/＜岡山大学の研究機器共用（コアファシリティ）などに関するお問い合わせ先＞ 岡山大学研究・イノベーション共創機構 機器共用推進本部 〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中1-1-1 岡山大学津島キャンパス 本部棟1階 TEL：086-251-8745、086-251-8746 FAX：086-251-8748 E-mail：cfp◎okayama-u.ac.jp ※ ◎を@に置き換えて下さい https://fspp.kikibun.okayama-u.ac.jp/＜岡山大学のスタートアップ・ベンチャーなどに関するお問い合わせ先＞ 岡山大学研究・イノベーション共創機構 スタートアップ・ベンチャー創出本部 〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中1-1-1 岡山大学津島キャンパス 本部棟1階 E-mail：start-up1◎adm.okayama-u.ac.jp ※ ◎を@に置き換えて下さい https://venture.okayama-u.ac.jp/ 岡山大学メディア「OTD」（アプリ）：https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000011.000072793.html 岡山大学メディア「OTD」（ウェブ）：https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000215.000072793.html 岡山大学統合報告書2024：https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000002801.000072793.html 岡山大学SDGsホームページ：https://sdgs.okayama-u.ac.jp/ 岡山大学SDGs～地域社会の持続可能性を考える（YouTube）：https://youtu.be/Qdqjy4mw4ik 岡山大学Image Movie (YouTube)：https://youtu.be/pKMHm4XJLtw 産学共創活動「岡山大学オープンイノベーションチャレンジ」2025年4月期共創活動パートナー募集中： https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000003002.000072793.html[画像4: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/72793/3063/72793-3063-51adbd01be328dda63b337bbc2f56e4a-1908x1062.jpg?width=536&amp;quality=85%2C75&amp;format=jpeg&amp;auto=webp&amp;fit=bounds&amp;bg-color=fff ][画像5: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/72793/3063/72793-3063-fd2815943b7617e0a39cb510553adc87-1713x697.jpg?width=536&amp;quality=85%2C75&amp;format=jpeg&amp;auto=webp&amp;fit=bounds&amp;bg-color=fff ]国立大学法人岡山大学は、国連の「持続可能な開発目標（SDGs）」を支援しています。また、政府の第1回「ジャパンSDGsアワード」特別賞を受賞しています。地域中核・特色ある研究大学として共育共創を進める岡山大学にご期待ください- 岡山大学 文部科学省「地域中核・特色ある研究大学強化促進事業（J-PEAKS）」に採択～地域と地球の未来を共創し、世界の革新の中核となる研究大学：岡山大学の実現を加速とともに世界に誇れる我が国の研究大学の山脈を築く～https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000001935.000072793.html[画像6: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/72793/3063/72793-3063-b43683c53d6e37c80f1f98b4f3ab0dee-2348x2700.jpg?width=536&amp;quality=85%2C75&amp;format=jpeg&amp;auto=webp&amp;fit=bounds&amp;bg-color=fff ]企業プレスリリース詳細へ : https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000003063.000072793.htmlPR TIMESトップへ : https://prtimes.jp