2017 Fiscal Year Annual Research Report
ワイドバンドギャップと高発光量を有した新規パイロシリケート単結晶の開発・特性評価
| Project/Area Number |
17J03074
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
堀合 毅彦 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
|
| Keywords | シンチレータ / 単結晶 / パイロシリケート / 温度特性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
200℃程度の高温においても高い発光量を維持することができるシンチレータ単結晶の開発を目的に、ワイドバンドギャップを有する新規パイロシリケート型シンチレータ単結晶(RE2Si2O7, RE:希土類元素)の探索を行った。採用第一年度は、申請者の所属する研究室で開発したCe賦活(Gd, La)2Si2O7(Ce:La-GPS)シンチレータ単結晶の希土類サイトのGd3+をY3+で置換したCe賦活(Gd, La, Y)2Si2O7シンチレータ単結晶についてマイクロ引下げ法を用いて研究を行い、Y3+を5%置換することによって発光量の高温耐性が改善されることを明らかにした。発光量の高温耐性測定時には、200℃まで使用可能な光電子増倍管と恒温槽を組み合わせ、評価装置の立ち上げを行った。
さらに、分子科学研究所極端紫外光研究施設でのバンドギャップエネルギー測定、山形大学での光刺激ルミネッセンス測定を行い、Ce:La-GPSシンチレータ結晶のエネルギーバンド図を作成した。また、チェコ科学アカデミー物理研究所において熱ルミネッセンス測定を行い、二価および四価陽イオン共添加やY3+置換による電子トラップ準位について評価を行った。加えて、単結晶構造解析についても取り組み、各サイトに入る原子の特定および原子座標の特定をした。
以上の成果について、国内学会で発表および結晶成長および光学特性に関する国際学会で積極的に発表し、学術誌に1本の英語論文が受理済みである。
申請者は、研究室内外および国内外で多様な測定を行うことで、新規パイロシリケート型シンチレータ単結晶に関する大変有意義な成果を得ており、期待以上の研究の進展があったといえる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高温下で高い発光量を有する新規パイロシリケート型シンチレータ結晶の開発に向けて、二価または四価陽イオン（Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+またはZr4+）共添加Ce賦活(Gd, La)2Si2O7（Ce:La-GPS）およびCe:La-GPSの希土類サイトにY3+を置換したCe賦活(Gd, La, Y)2Si2O7シンチレータ単結晶について研究を行った。
ガンマ線源として137Csを用いて励起を行った25℃での発光量測定の結果から、二価および四価陽イオン共添加によって室温での発光量は劣化することが分かった。また、175℃での発光量については、Ba2+共添加Ce:La-GPSで共添加前と比較して改善することが明らかとなった。Y置換Ce:La-GPSでは、Y5%置換Ce:La-GPSで25℃および175℃の発光量が最大となった。
分子科学研究所極端紫外光研究施設（UVSOR）において測定したY置換Ce:La-GPSのバンドギャップエネルギーは、Y置換量に関わらず一定（約7.14 eV）であった。一方で、山形大学で評価した光刺激ルミネッセンス測定の結果から、Y置換前とY5%置換サンプルを比較すると、Ce3+の4f準位と伝導帯の下端部間のエネルギーは大きくなることがわかった。Y置換前後で励起・発光スペクトルが変化しなかったため、Y5%置換によってCe3+の5d-4f準位の重心位置が価電子帯側に変化したと考えられる。さらに、チェコ科学アカデミー物理研究所で測定したY置換Ce:La-GPSの熱ルミネッセンス測定の結果から、Y置換量による電子トラップ準位の変化はないことが明らかになった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
採用第一年度の研究によって、二価または四価陽イオン共添加および希土類サイトへのY置換Ce:La-GPSシンチレータ単結晶の電子トラップ準位深さは変化しないことが明らかになった。一方で、各電子トラップ準位濃度や非発光再結合準位である格子欠陥等の評価は未だ行われていない。電子トラップ準位濃度の減少や非発光再結合準位の減少によって、室温および高温での発光量が改善されることが期待される。今後は、透過型熱ルミネッセンス測定装置を用いた測定を行い、電子トラップ準位濃度について評価を行う。さらに、陽電子消滅寿命測定を行い、格子欠陥についても評価する。
また、シンチレータ単結晶の育成時の雰囲気の違い（窒素雰囲気、または、窒素および2%酸素雰囲気）によって電子トラップ準位が変化することが明らかとなった。これは、育成結晶中の酸素欠損による影響であると考えられるため、今後は育成した結晶に対して、酸化雰囲気または還元雰囲気下で後熱処理を行い、後熱処理前後での光学特性および電子トラップ準位について評価を行う。
バンドギャップエネルギー測定の結果から、Y置換Ce:La-GPSにおいてはY置換量に関わらずほとんど一定であることが明らかとなったが、この結果はガーネット型シンチレータ単結晶の結果とは異なる結果であった。Ce:La-GPSでバンドギャップエネルギーが一定であった要因として、Y置換サイトの影響が考えられる。Ce:La-GPSでは、8配位の希土類サイトが二つ存在しており、どのサイトにどの原子が入っているか解明することは重要である。したがって、今後はY置換Ce:La-GPSの単結晶構造解析を行い、Yがどのサイトに入っているのかの特定およびY置換前後でのCe-O間距離の変化について検討を行い、発光と結晶構造の関係を明らかにする。
|
-
-
-
-
[Presentation] Crystal growth and temperature dependence of light output of Ce-doped (Gd, La, Y)2Si2O7 single crystals2017
Author(s)
Takahiko Horiai, Shunsuke Kurosawa, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Jan Pejchal, Akihiro Yamaji, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Tomohiro Ishizu, Yasuo Ohishi, Taisuke Nakaya and Akira Yoshikawa
Organizer
21st American Conference on Crystal Growth and Epitaxy
Int'l Joint Research
-
-
[Presentation] The effect of bandgap energy and electron trap of Ce-doped Y-admixed lanthanum gadolinium pyrosilicate scintillator2017
Author(s)
Takahiko Horiai, Shunsuke Kurosawa, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Jan Pejchal, Akihiro Yamaji, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Tomohiro Ishizu, Yasuo Ohishi, Taisuke Nakaya and Akira Yoshikawa
Organizer
14th International Conference on Scintillating Materials and their Applications
Int'l Joint Research
-
[Presentation] Optical and scintillation properties of Ge-codoped Ce-doped (Gd,La)2Si2O7 scintillator2017
Author(s)
Takahiko Horiai, Shunsuke Kurosawa, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Jan Pejchal, Akihiro Yamaji, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Tomohiro Ishizu, Yasuo Ohishi, Taisuke Nakaya and Akira Yoshikawa
Organizer
7th International Workshop on Photoluminescence in Rare-Earths
Int'l Joint Research
