2016 Fiscal Year Research-status Report
ガラスにドープしたイオンの価数制御メカニズムの解明と機能創出
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15K06447
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| Research Institution | Toyota Physical and Chemical Research Institute |
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Principal Investigator |
野上 正行 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (90198573)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ガラス / 希土類 / 水素 / 光機能 / 発光材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
希土類イオンや遷移金属イオンをドープしたガラスは光・電子材料として利用されている．ガラスにドープされた金属イオンの特性を効率よく発揮させるためには，その均一分散と価数制御が極めて重要である．金属イオンは通常，高原子価状態でドープされ還元されることはないが，低原子価で存在させることができればガラスの応用範囲は大きく広がると期待される．昨年度までの研究で，Eu3+イオンをドープしたNa2O-Al2O3-SiO2系ガラスを水素雰囲気下で処理したとき，2価イオンに還元されるガラス組成のあることを見出した．その上で，希土類イオンの還元反応とガラス組成との関連性を詳細に調べた結果，その還元はガラス組成の影響を強く受け，Al/Na＞１のガラス組成でなければならないことが分かった．そして希土類イオンの還元反応と同時にOH基の生成が認められたことから，ガラス内に拡散した水素ガスで希土類イオンが3価から2価に還元されると共に，OH基が生成し近傍のAl3+イオンと結合するものと考え，水素ガスの拡散と反応モデルを提案した．
Eu2+イオンは波長：400～480nmで高い強度の発光を示すので，その材料開発への応用として白色発光体に加えて長波長発光体の励起源としての利用が考えられる．そこで，Eu3+に加えてMn3+(or Mn4+)をドープしたNa2O-Al2O3-SiO2系ガラスについてドープイオンの価数変化を調べた結果，Al/Na＞１のガラス組成でEu2+，Mn2+イオンに還元することが分かった．Mn2+イオンは410nmを励起波長にもち630nm帯で赤色発光を示すことから，Eu2+イオンの400～480nmでの発光を励起源にしたEu2+→Mn2+エネルギー移動による高い強度の赤色発光を示すことを確認した．
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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
本研究の目的は「希土類や遷移金属などガラスにドープしたイオンの価数制御のメカニズムを解明し、それに基づいた新しい機能性ガラスを創成すること」で，ドープイオンの価数とガラス組成・構造との関係、及びガスとの反応によるドープイオンの価数変化を系統的に検討してきた．研究を始めて比較的早い時期に，対象とする金属イオンのうちEu3+やMn4+イオンが選択的に還元されるガラス組成のあることを発見した．このことで研究の進捗を大きく進展させることができ，反応を起こすのに必要なガラス構造についての知見を得ることができ，反応機構の考察にまで進むことができたことによる．
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| Strategy for Future Research Activity |
Eu3+イオン以外で還元反応の起こる可能性のあるSm3+，Cu2+，Ni2+などについても反応の可否を調べ，マトリックスであるガラスの組成・構造との関係を検討する．そのために金属イオンをドープしたNa2O-Al2O3-SiO2系ガラスでのイオンの状態分析と反応前後での金属イオンと母材ガラスを構成するイオンとの結合の変化を赤外線，X線，放射光などを用いた分光学的手法での解析を進め，ガラス構造との関連性から考察する．ドープしたイオンは様々な発光特性を示し，それを旨く制御することで紫外から赤外領域にわたる光機能材料への展開が期待できる．ガラス中での価数を制御することで，ドープした複数の金属イオン間でのエネルギー移動を応用した発光材料への応用の道筋をたてる．
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| Causes of Carryover |
核磁気共鳴スペクトルの測定に文科省ナノテクノロジープラットフォーム（NIMS)を利用した．試行測定によって課金が発生しなかったために，実課金が当初予定より減額したことによる．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度も核磁気共鳴スペクトルの測定に文科省ナノテクノロジープラットフォーム（NIMS)を利用する予定である．多くの試料があり，前年度分予算と合わせての支出を予定している．
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