High transparency of rare earth-doped alpha-SiAlON ceramics and their application to laser materials
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22H00257
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
多々見 純一 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (30303085)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 拓実 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所, 機械・材料技術部, 研究員(任期無) (30715991)
飯島 志行 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (70513745)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥43,810,000 (Direct Cost: ¥33,700,000、Indirect Cost: ¥10,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2022: ¥28,990,000 (Direct Cost: ¥22,300,000、Indirect Cost: ¥6,690,000)
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| Keywords | サイアロン / 透明 / 蛍光 / 粉体プロセス / レーザー / 透明化 / SiAlON |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、高い熱的・機械的特性を活かして構造材料として研究開発されてきた酸窒化物であるα-サイアロンセラミックスを対象とし、その中に存在する光の散乱源を限界まで低減することで高透明化を実現すること、希土類添加透明α-サイアロンセラミックスの発光・励起メカニズムを解明すること、および、得られた透明蛍光α-サイアロンセラミックスで世界初となるレーザー発振の可能性を見いだす。これを発展させた本研究の成果は、新たな透明蛍光性酸窒化物バルクセラミックスの開発や、粉体を利用して製造される各種材料の高機能化のための材料設計指導原理の構築などへの波及が期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高い熱的・機械的特性を活かして構造材料として研究開発されてきた酸窒化物であるα―サイアロンセラミックスを対象とし、その中に存在する光の散乱源を限界まで低減することで高透明化を実現すること、希土類添加透明α―サイアロンセラミックスの発光・励起メカニズムを解明すること、および、得られた透明蛍光α―サイアロンセラミックスで世界初となるレーザー発振の可能性を見出すことである。令和５年度は、原料として用いる希土類酸化物の粉体特性が透明性と蛍光性に及ぼす影響について検討するとともに、そのシンチレーション特性についても調べた。原料粉体として、αSi3N4、AlN、CeO2、Y2O3を用いた。このうち、CeO2とY2O3については、粒径の異なるものを用意して実験に供した。得られた焼結体の蛍光励起スペクトルは、Ce3+の4f5d遷移に起因して、380 nmに最大励起強度を、480 nmに最大発光強度を持つブロードなものとなった。直線透過率は、用いた希土類酸化物粉体の粒径の増加と共に低下した。微構造観察から希土類酸化物粉体の粒子径が小さいほど焼結体中のY-α SiAlONの粒径が微細化したことが確認されるとともに、用いたCeO2粉体の粒子径が小さいほどガラス相の残存量が低減して吸収率が低下した。これらに起因して、微細な原料粉体を用いるほど直線透過率が向上したものと考えられる。また、昨年度開発した透明なLu-α-SiAlON:Ce3+セラミックスはα線とX線に対してシンチレーション応答を示すことも見出した。本研究で開発した透明性と蛍光性を具備したα-サイアロンセラミックスは、熱的・機械的耐久性に優れていることから、高温・高湿・高放射線などの過酷な環境下での高い耐久性が要求される用途でのシンチレータとしての展開が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的のアプローチの一つである、α―サイアロン結晶粒子の微細化と緻密化の両立によるαサイアロンセラミックスを作製するため、その重要な因子である原料粉体の影響について検討し、その微粒化が透明化に有効であること、さらには、低温焼結も可能になることを見出すなど、従来にない知見が得られた。特に、シンチレーション特性を示すことを見出したことは、これまでに想定していた以上の成果であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度は、これまでの知見をさらに深化させてαサイアロンセラミックスの更なる透明化を図り、理論値に近い直線透過率を目指す。凍結乾燥造粒法は酸化物セラミックスで透明化に対する有効性が報告されており、本研究の予備的検討として非水系スラリーの凍結乾燥造粒法で調製した顆粒を用いることにより、窒化ケイ素セラミックスの均質化も可能であること知見として得られつつある。これらを活用することで極限まで散乱源を低減させたαサイアロンセラミックスの作製と、レーザー発振にチャレンジする。
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Report
(3 results)
Research Products
(25 results)
