【FY2017_KY004】マイクロ・ナノスケール材料工学コース《短期型》

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平成29年度 ナノテクキャリアアップアライアンス

京都大学 マイクロ・ナノスケール材料工学コース《短期型》

 

■目的、対象者:

   エレクトロニクス・自動車・通信・エネルギー・医療等、多様な分野においてマイクロメートルからナノメートルスケールの材料が機能・構造材料として注目されています.本講義はMEMS(微小電気機械システム)やマイ・ナノシステムの性能、信頼性、寿命に大きな影響を与えるマイクロ・ナノスケール材料が示す特有の機械的特性や挙動を基礎メカニズムから理解すると共に、機械的特性の評価方法を学ぶ、京都大学工学研究科の夏期集中講義です。

 

■募集人数: 3

■期間: 平成29年9月11日(月)~平成29年9月14日(木)

■会場:    京都大学桂キャンパスCクラスター3棟1階 講義室4

(京都市西京区京都大学桂)

https://www.ce.t.kyoto-u.ac.jp/ja/access/684230ad30e330f330b9 (最寄バス停:桂御陵坂)

 

■内容:

1 全体概要

マイクロ・ナノ材料のデバイスへの応用実例、および力学的特性や挙動がデバイスの特性に与える重要性について述べる。

2 マイクロ・ナノスケールにおける材料強度物性と破壊メカニズム①

マイクロ・ナノスケールにおける金属、無機、有機、複合材料の機械的特性と破壊・疲労メカニズムについて解説する。まず、薄膜・ワイヤー・ドット等の微小材料に固有の変形と破壊の特徴について、力学的観点から説明する。とくに、微小デバイスで問題となる異材界面の強度特性の考え方について詳述するとともに、疲労・環境・クリープ等による破壊についても述べる。また、金属微小材料の強度に及ぼす寸法効果の特徴と発現メカニズムについても触れる。

3 マイクロ・ナノスケールにおける材料強度物性と破壊メカニズム②

マイクロスケールの構造を持った代表例として、複合材料の特性について講述する。ここでは、構成要素である微小繊維および微小体積母材の評価とそのバルク材料との違いについて解説する。そして、繊維/母材界面の微視的な評価法およびその特性について説明する。また、微視的構成要素の変形・破壊がどのように蓄積してマクロな破壊に結びつくか、およびその異方性とメカニズムについて解説する。

4 シリコンの機械的物性

シリコンは半導体材料としてだけではなく、その優れた機械的特性によって機械構造材料としても有用でマイクロ・ナノデバイスの基本材料として幅広く用いられている。機械材料の観点でシリコンの特性について、基本物性、電気特性、弾性特性、ひずみ抵抗効果、さらには実用化に不可欠な強度や疲労など、デバイス設計に必要な知識を述べる。

5 マイクロ・ナノ材料試験法

マイクロ・ナノ材料の機械的特性とその評価方法について解説する。薄膜及び微小構造体の機械特性評価試験技術について紹介し、これらの技術によって理解される形状記憶合金など機能性材料の機能発現メカニズムとこれらの材料のデバイス応用について説明する。

6 ナノスケール材料のピエゾ抵抗効果

材料における電子の振る舞いの考え方を学ぶための電子状態理論の基礎と、周期的な原子配列・分子配列を持つ物質の電子状態を表現するバンド構造について解説し、材料に加わる応力やひずみが電子物性にどのように影響するかを議論する。とりわけ、材料の電気抵抗率が応力やひずみによって変化する現象(ピエゾ抵抗効果)の原理と特徴をバンド構造から導いて、シリコン・CNT・グラフェン等に見られるスケール依存性が発現するメカニズムについて紹介する。

7 バイオナノ材料①

細胞運動や分裂、分化・発生や再生などの様々な過程における細胞のダイナミクスは、分子レベルにおける力学・生化学因子の複雑な相互作用により制御されている。このナノスケールから階層化されたマイクロスケールレベルの細胞ダイナミクスを理解する上で重要となるバイオナノ材料としての生体分子・細胞の力学的ふるまいの解析手法について、数理モデリング・計算機シミュレーションおよび実験事例などを交えながら紹介する。

8 バイオナノ材料②

細胞は生体内において、「細胞外微小環境」によってその運命や機能が制御されている。その細胞外微小環境は、化学的因子・物理的因子・細胞間相互作用などによって構成され、それらがナノ・マイクロスケールレベルで細胞を制御している。細胞外微小環境を人工的に創出するために必要なバイオマテリアルの設計論や応用について紹介する。

9 バイオナノ材料③

モータタンパク質の運動をマイクロ・ナノ環境において人為的に再構築することで、そのアクチュエータとしての機能を工学応用することが可能になる。その際の機械材料的特性、分子設計論について紹介する。

10 バイオナノ材料④

DNAを構造材料として利用してナノスケールの構造物を製作するDNAナノテクノロジー、特にDNAオリガミの基礎、設計論、応用について紹介する。

 

■受講料:

・アライアンス内の博士課程(後期)学生、若手研究者:無料(旅費の補助を予定)

・一般 296,000円(授業料)

 

博士課程(後期)学生は、「特別聴講学生」として京都大学工学研究科に受入れるために、受講者の所属している機関から、特別聴講学生の派遣申請を6月中旬までに行っていただきます。国立大学以外の所属の場合、大学間の協定と部局間の覚書を締結していなければ授業料が必要となりますが、これはCUPALが負担します。博士課程(後期)学生以外の若手研究者は一般聴講扱いとなります。

 

■連絡先: 京都大学ナノ・マイクロシステム工学研究室内 CUPAL事務局

(cupal@nms.me.kyoto-u.ac.jp、電話:075-383-3693 )

FY 2017 Nanotech Career-up Alliance

Kyoto University, Micro/Nano Scale Material Engineering << Short-term type >>

 

■ Purpose and intended persons:

Recently, there are increasing needs for various functional and structural materials of micro/nano size in a wide range of fields such as electronics, car industry, communication, energy and medicine. This series of lectures aims to develop a fundamental understanding in mechanical properties or distinct phenomena related to such micro/nano scale materials, which is essential in evaluating performance, reliability and lifespan of MEMS (Microelectromechanical system) devices and other micro/nano systems. These lectures are summer intensive course in the department of engineering, Kyoto University.

 

■ Number of participants: 3 persons (maximum)

■ Time and period: From September 11 (Mon) to September 14 (Thu), 2017

■ Venue: Kyoto University, Katsura Campus, C Cluster

(https://www.ce.t.kyoto-u.ac.jp/ja/access/684230ad30e330f330b9 (Nearest Bus Stop:Katsura Goryozaka))

 

■ Contents:

  1. Outline

In this lecture, application examples of micro and nanoscale material on devices and importance of mechanical properties and its behavior on device characteristics are described.

  1. Fracture and fatigue mechanism of materials in the micro- and nano- meter scale ①

We explain fundamentals on the fracture and fatigue mechanism of materials in the micro- and nano-meter scale. At first, the characteristic properties of deformation and fracture in small components such as thin films, wires, dots etc. are discussed in terms of the solid mechanics. Focus is put on the interface strength of dissimilar materials as well including the effect of fatigue, creep and environment. Then, we explain the characteristics and mechanisms of “size effects” on the strength of micro- and nano-materials.

  1. Fracture and fatigue mechanism of materials in the micro- and nano- meter scale ②

As a representative example of materials with microscale structures, properties of composite materials are lectured. Characterization of microscopic components such as fibers and matrices are explained from the view points of the difference from bulk materials. Testing methods and properties of fiber/matrix interface are described. The relationship between the deformation and fracture of microscopic components and those of macroscopic composite materials are explained including the underlying mechanism. Explanation is also made to anisotropy of elastic properties and strength.

  1. Mechanical properties of Silicon

Silicon, one of the most widely used materials in micro/nano devices, is used not only as a semiconductor material but also as a mechanical material because of its superior mechanical properties. In this lecture, the properties of silicon, such as physical, electrical, mechanical, electro-mechanical properties, will be presented in the view point of a mechanical structural material. Especially the lecture will focus on the elastic properties, piezoresistive effect, and fracture/fatigue properties of silicon, indispensable for designing micro/nano-devices. 

  1. Characterization of micro nano material

In this class, first I will lecture the evaluation method for the mechanical properties of micro and nano-scale materials used for MEMS and semiconductor devices. Several representative experimental techniques for micro and nano mechanical testing will be presented and explained. Then I will lecture representative functional materials, such as shape memory alloy films and self-propagating exothermic foils, and lecture regarding the possibility of their application to MEMS.

  1. Piezoresistive effect in nanoscale materials

In this theme, we will study the fundamental concepts of electronic-state theory and band structures to represent behavior of electrons in materials, and will discuss the electromechanical properties of materials based on the electronic-state theory. In particular, the principle and features of the piezoresistive effect, the change in the electrical resistivity due to mechanical stresses and strains, will be derived from the band structures of materials. The mechanisms of scale dependence of piezoresistivity in nanoscale materials such as silicon, carbon nanotube, and graphene will be also discussed.

  1. Bio/Nano material ①

In tissue adaptation, regeneration and stem cell differentiation in tissue morphogenesis, cellular functional activities such as cell migration and division are regulated by complex mechano-chemical couplings at molecular level. To understand such a hierarchical dynamics from nanoscopic molecular events to microscopic cellular dynamics, we will discuss analysis of the molecular and cellular mechanical behaviors as bio-nano materials by integrating experiments, mathematical modeling and computer simulations.

  1. Bio/Nano material ②

Cells are well regulated their fates and functions by extracellular microenvironments, consisted with chemical/physical cues and cell-cell interaction at a nano/micro-meter scale. This lecture provides an insight of design methods of biomaterials and their applications to recapitulate extracellular microenvironments.

  1. Bio/Nano material ③

Motor proteins are nano-scale actuators in vivo. Their active functions can be reconstructed in vitro to be utilized as a driving source of micro/nano systems. This lecture introduces fundamentals of their mechanical properties and molecular design methods.

  1. Bio/Nano material ④

This lecture describes DNA nanotechnology to construct nanoscale structures using DNA as a structural material. Fundamental knowledge, design methodology and application of DNA origami technique are focused.

 

■ Tuition:

Free of charge for the doctoral students and young researchers belonging to CUPAL Alliance institutions

Others: 296,000 yen (Tuition fee)

 

■ Contact: Kyoto University Nano/Micro System laboratory, CUPAL secretariat

 (cupal@nms.me.kyoto-u.ac.jp Phone: +81-75-383-3693)