2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of high-efficiency up-conversion oxide phosphor material and the analysis of its light-emitting mechanism
| Project/Area Number |
20K05065
|
|---|
| Research Institution | Waseda University |
|---|
Principal Investigator |
山本 知之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40298196)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | アップコンバージョン蛍光体 / 局所環境解析 / 第一原理計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，吸収した光をより高いエネルギーの光に変換して放出するアップコンバージョン現象に着目し，近赤外光を可視光に変換して太陽電池発電に寄与できるようにすることを目指した高効率・高耐久のアップコンバージョン型蛍光体の創製と，そのようなアップコンバージョン型蛍光体として知られている希土類添加型酸化物におけるアップコンバージョン現象のメカニズムの解明を目指している．具体的には，種々のマトリックスに希土類元素を添加したアップコンバージョン型蛍光体を種々の条件下で合成し，粉末X線回折法を用いた結晶構造解析及びシンクロトロン放射光を用いた添加元素の原子レベルでの局所環境解析を行い，アップコンバージョン発光特性評価を進めている．更に，X線光電子分光，紫外可視吸収分光及び第一原理計算を用いた電子状態評価も進めている．合成して評価を進めたアップコンバージョン型蛍光体における発光機構に関する知見を基にして，より高効率・高耐久のアップコンバージョン型蛍光体の創製し，太陽電池とのハイブリッド化を視野に入れて研究を進めている．
2021年度においては，2020年度に実施したCaMO4(M =Zr, Ti, Sn)系の酸化物をマトリックスとして，Er, Ybをはじめとする希土類元素を添加した試料を種々の条件下で固相反応法を用いた合成に加えて，アルカリ金属を共添加した試料の合成を行い，アルカリ金属共添加によるアップコンバージョン発光強度の増大を目指した．合成した資料に対して，Ｘ線回折法を用いたそれらの結晶構造解析とアップコンバージョン特性の評価，共添加したアルカリ金属の種類及び添加量に対する，アップコンバージョン発光波長や発光強度を整理した．また，第一原理計算を用いた希土類元素の局所環境評価および電子状態評価も行った．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度においては，CaMO4(M =Zr, Ti, Sn)をマトリックスとして，Er, Ybをはじめとする希土類元素を添加した試料を，固相反応法を用いて，雰囲気や焼成温度，焼成時間などの条件を変えて合成し，Ｘ線回折法を用いたそれらの結晶構造解析ならびにアップコンバージョン発光特性の評価を行ったが，2021年度はそれに加えてアルカリ金属元素を共添加することによるアップコンバージョン発光強度の増大を試みた．測定したアップコンバージョン発光スペクトルの形状と強度から，共添加したアルカリ金属の種類及び添加量により，アップコンバージョン発光波長や発光強度を整理し，より高効率な組み合わせについて検討した．また，平面波基底の第一原理計算を用いたアルカリ金属添加による構造変化や添加した希土類元素の局所環境評価を行った． 更には，紫外可視吸収スペクトルの測定からアルカリ金属共添加によるバンドギャップの変化やバンドギャップ中の新たな準位形成の評価を行い，第一原理計算を用いた電子状態計算の結果との比較検討も行った．結果としてアルカリ金属共添加によりアップコンバージョン発光強度を上げることに成功したが，未だその強度向上のメカニズムを十分に明らかには出来ていないので，更なる解析を進める準備を行った．
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後の本研究の推進に当たっては，さらにマトリックスの種類と合成条件，添加する希土類元素の種類を変えた試料の合成，X線回折，アップコンバージョン発光特性，紫外可視吸収スペクトル，シンクロトロン放射光を用いたX線吸収端近傍微細構造の測定などによる系統的は評価を進め，第一原理計算を用いた解析と合わせて，高輝度・高耐久のアップコンバージョン型蛍光体の創製とその発光機構の解明を進めていく．アルカリ金属の共添加によりアップコンバージョン発光強度を向上させることに成功したので，他の共添加も含めて，更なる発光強度の増大を目指す．また，2022年度においては，次世代型太陽電池として期待されている有機無機ハイブリッドペロブスカイトを受光層に用いるペロブスカイト太陽電池とのハイブリッド化によるエネルギーハーベスティングも目指していく．
2021年度にシンクロトロン放射光を用いた希土類元素の局所環境解析を行う予定だったが，アルカリ金属共添加による発光強度の向上が予想を上回る成果を示したため，種々の組み合わせによる合成とそれらの評価を重点的に進めたため，シンクロトロン放射光を用いた局所環境解析は一旦延期した．2022年度においては，実施可能性の状況を見極めつつ，シンクロトロン放射光施設でのX線吸収端近傍微細構造測定の実施を集中的に実施する予定である．
更に，2021年度までに合成したアップコンバージョン型蛍光体を用いて，ペロブスカイト太陽電池とのハイブリッド化についても試験的な取り組みを始めていく．
また，2021年度はオンラインを通じた国際協力により，関連した共同研究による成果を幾つか発表することができ，2022年度においては，更なる国際連携による共同研究を積極的に推進し，研究成果の発表を行っていく．
|
| Causes of Carryover |
新型ウィルスの感染拡大に伴い，予定していた研究成果発表およびシンクロトロン放射光施設での実験のための出張を取りやめ旅費を支出しなかったが，2022年度においてはそれらの経費としての支出を予定している．
|
