ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、静岡大学 工学部の橋口 原 教授と東京大学 生産技術研究所の年吉 洋 教授らの研究グループは名古屋大学 未来材料・システム研究所の白石 賢二 教授、中西 徹 大学院生、長川 健太 研究員、洗平 昌晃 助教らと共同で、振動発電素子注１）において非晶質シリカが負に帯電する微視的な仕組みを世界で初めて解明しました。
充電不要の自立電源を実現する技術として、外界の振動だけで動作する振動発電素子が期待されています。研究グループが以前開発した、非晶質シリカ注２）を負に帯電させることで動作するカリウムイオンエレクトレット注３）が振動発電素子として期待されていますが、負に帯電する微視的な仕組みは未解明でした。
研究グループは、非晶質シリカ内にカリウム原子を挿入するとカリウム原子からケイ素原子に電子が供給され、ケイ素原子があたかもリン原子のように振る舞うことを量子力学に基づく計算から発見しました。そして、ケイ素原子は通常の４本ではなく５本の共有結合を酸素原子と形成してＳｉＯ５構造となり、この構造が負電荷を蓄積することを明らかにしました。
本成果により、振動発電素子の信頼性向上や長寿命化への設計指針が得られます。充電なしで動作するセンサーなどが身近になる他、モノのインターネット（ＩｏＴ）注４）の実現にも貢献が期待されます。
本成果は、２０２０年１０月１９日（日本時間）に第３７回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（オンライン開催）で発表されました。
➢ 外界の振動だけで発電する振動発電素子が注目されているが、動作の微視的な仕組みは未解明だった。
➢ 振動発電素子となる荷電体「エレクトレット」が負に帯電する微視的な仕組みを量子計算により世界で初めて明らかにした。
➢ 性能向上への設計指針が得られ、センサーなどデバイスの自立発電やＩｏＴの実現へ貢献が期待される。
◆詳細（プレスリリース本文）はこちら
注１）振動発電素子
外界から来る振動（自動車の走行や人が歩くことなどで生じる振動）を電気エネルギーに変える素子。電力を自給自足でき、充電不要でさまざまな用途に使用することができる。
注２）非晶質シリカ
シリカはシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）から成る物質、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の総称。石英や水晶もシリカの仲間といえる。シリカの原子配列がランダムに近い非晶質（アモルファス）の構造になったものが非晶質シリカで、ａ－ＳｉＯ２と記述されることが多い。
注３）カリウムイオンエレクトレット
エレクトレット（電石）とは、永久磁石の磁気分極のように、ある種の誘電体において電界をなくしても誘電分極が残留する物質で作られた荷電体である。磁石（マグネット）に倣ってエレクトレットと名付けられた。カリウムイオンエレクトレットは、非晶質シリカにカリウム原子を挿入した後にこれを除去すると非晶質シリカに負の電荷が半永久的に残留する現象を用いたエレクトレットである。
注４）モノのインターネット（ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）
さまざまな物がインターネットに接続され、情報交換することにより相互に制御する仕組みのこと。これによってデジタル社会が進展すると期待されている。
“Investigation of negative charge storage mechanism in the potassium ion electret by first-principle calculation”
（カリウムイオンエレクトレットにおける負電荷蓄積機構の第一原理計算による検討）
