| Project/Area Number |
23K26742
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| Project/Area Number (Other) |
23H02049 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
梶原 浩一 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 教授 (90293927)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石島 政直 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 助教 (60965573)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥19,240,000 (Direct Cost: ¥14,800,000、Indirect Cost: ¥4,440,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
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| Keywords | 無濃度消光発光 / 励起移動 / シリカガラス / 希土類イオン / ナノ結晶 |
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| Outline of Research at the Start |
発光中心の濃度が高くなると発光効率が著しく下がる現象は濃度消光とよばれる。励起状態が発光中心間を移動し、発光前に消光中心に捕獲されることが原因である場合は、濃度消光は消光中心をなくせば防げると期待されるが、申請者らはこの指針に従い、独自に見出した希土類リン酸塩ナノ結晶含有透明結晶化ガラスで、自由な励起移動と無濃度消光紫外・可視発光が共存できることを示してきた。
本研究では、自由な励起移動を伴う無濃度消光発光が、赤外発光も含めて普遍化できる概念であることを示す。これまで前例のない自由な励起移動と共存した無濃度消光赤外発光を実現し、励起移動を積極的に利用した赤外発光デバイスへの応用に道を拓く。
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| Outline of Annual Research Achievements |
発光中心の濃度が高くなると発光効率が著しく下がる現象は濃度消光とよばれる。励起状態が発光中心間を移動し、発光前に消光中心に捕獲されることが原因である場合は、濃度消光は消光中心をなくせば防げると期待されるが、申請者らはこの指針に従い、独自に見出した希土類リン酸塩ナノ結晶含有透明結晶化ガラスで、自由な励起移動と無濃度消光紫外・可視発光が共存できることを示してきた。
本研究では、自由な励起移動を伴う無濃度消光発光が、赤外発光も含めて普遍化できる概念であることを示す。現在までの研究で、主に代表的な消光中心であるSiOH基濃度の低減によって、シリカ-YbPO4透明結晶化ガラスの赤外発光、シリカ-EuPO4透明結晶化ガラスの赤色発光、シリカ-(M,Ce)PO4 (M=La,Gd,Y)透明結晶化ガラスの紫外発光の内部量子効率をいずれも~0.85以上まで向上させることができた。また、シリカ-(Gd,Pr)PO4透明結晶化ガラスの狭帯域UVB発光で粉末蛍光体に比べて優れた温度特性を確認でき、これをKrClエキシマランプの窓材として用いることで狭帯域UVBランプを作製できた。他方、試薬の種類や純度はこれらのガラスの発光の内部量子効率に対して鈍感であることが明らかとなった。今後の研究で発光の内部量子効率のさらなる向上を図りつつ、SiOH基濃度低減の再現性を改善し、これまで前例のない自由な励起移動と共存した無濃度消光赤外発光を実現し、励起移動を積極的に利用した赤外発光デバイスへの応用に道を拓く。
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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
波長313nmでの狭帯域UVB無濃度消光発光が確認されているシリカ-(Gd,Pr)PO4ガラスの温度特性を調べ、このガラスが類似の粉末蛍光体((Lu,Gd,Pr)PO4)より温度消光しにくく、良好な温度特性をもつことを示した。ナノ結晶をガラスに包接することで粉末蛍光体より消光中心を低減できたためと考えられる。また、このガラスとKrClエキシマランプの窓材として用いることで、狭帯域UVBランプが構築できることを示した。
シリカ－EuPO4透明結晶化ガラスでは、SiOH基濃度を10^18cm-3以下まで低減することで赤外発光の内部量子効率が~0.9まで向上したが、より高い内部量子効率を実現するために必須である10^17cm-3台のSiOH基濃度を安定的に再現できる条件の確立に課題が残った。
シリカ－EuPO4透明結晶化ガラスでは、Eu源の種類や純度(3N、4N)、Ｐ源の種類および合成条件と赤色発光の内部量子効率との関係を調べ、試薬の種類や純度は内部量子効率とほとんど相関がないことが確認された一方で、SiOH基濃度が消光への寄与が大きいことを見出し、その低減によって内部量子効率を~0.6から~0.85まで向上させることができた。
シリカ－(M,Ce)PO4透明結晶化ガラスでは、M=Laに加え、M=Gd,Yでもガラスが合成でき、5d-4f許容遷移であり減衰時定数が短いと期待されるCe3+イオンからの高効率紫外発光が確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き下記の課題を実施する。
1. シリカ-YbPO4透明結晶化ガラスによる無濃度消光赤外発光材料の開発：シリカ－YbPO4透明結晶化ガラスは波長1μmで発光し、赤外発光材料として有望であるが、消光中心であるSiOH基の濃度を十分に下げることが難しかった。昨年度、SiOH基濃度を10^18cm-3以下とできる合成条件を確立したが、内部量子効率は~0.9とまだ不十分であるため、内部量子効率がほぼ~1になると考えられるSiOH基濃度10^17cm-3台の試料を安定して作製できる条件の探索に取り組む。
2. シリカ－EuPO4透明結晶化ガラスの発光効率向上：Eu3+イオンは代表的な赤色発光中心である。Eu3+イオンの濃度消光については多数の報告があるが、無濃度消光発光は申請者らの知る限り知られていない。他方、申請者らはシリカ－EuPO4透明結晶化ガラスの赤色発光効率向上に取り組み、昨年度の研究で内部量子効率が~0.85まで向上した。発光効率改善の取り組みをさらに進め、無濃度消光発光の実現を目指す。
3. シリカ-(M,Ce)PO4透明結晶化ガラスによる高効率紫外発光の開発：Ce3+イオンを発光中心とするシリカ-(M,Ce)PO4透明結晶化ガラスが、希土類種MがLaのとき内部量子効率がほぼ1の高効率紫外発光を示すことを見出し、自由な励起移動が可能と考えられるGdを含むM=Gd, Yでもガラスの作製に成功している。本年度は、これらのガラスを用い、Mの変化による発光特性の評価、シンチレーター材料としての適用可能性を調べる。
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