2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of Fluorochromic Inorganic Materials and Their Application to Fluorescence Sensing Systems

Research Project

Project/Area Number	20K05670
Research Institution	Keio University
Principal Investigator	藤原忍慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (60276417)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	蛍光体 / 希土類元素 / フルオロクロミズム / 光物性 / 表面科学 / イメージング / 化学センサ / 蛍光センサ
Outline of Annual Research Achievements	希土類元素を賦活した無機蛍光体材料におけるフルオロクロミズム（FC）の発現に関する研究を、前年度に引き続き、材料設計とプロセス構築の双方の立場から多角的に進めた。すなわち、Ptナノ粒子を担持したY2WO6:Eu3+薄膜では構造制御による応答性の向上に加えて、水素還元による消光後に空気中で熱処理すると発光が回復し繰り返しての使用が可能であることを実証した。BaCeO3:Eu3+では比表面積の大きなナノキューブの合成を試みたが単相試料が得られておらず、新たに薄膜化に取り組んでいる。多孔質Gd2O3:Eu3+粒子では微細構造を制御してCu2+イオンの回収効率を上げることにより、環境浄化機能を有する材料としての新たな提案を行うに至っている。CaTiO3:Pr3+球状マイクロ粒子では粒径および細孔径の制御により、これまで別の合成法で得られていた試料よりも高い酸化還元応答性を達成した。また今年度は、電気化学的測定によるFC現象の機構解明ならびに有機無機ハイブリッド材料におけるFC機能の付与を目指して新たな研究課題をスタートさせた。ここではナノ構造CeO2:Sm3+膜について述べる。電気化学的なFCの発現を調査するためには蛍光体膜を電極上に成膜する必要があり、光学特性の測定に際しては電極も透明でなければならない。そこで透明導電膜をコートしたガラス基板を用いるわけだが、透明導電膜の耐熱温度は500℃程度である。一方、多孔質な蛍光体膜の作製には通常700℃程度の加熱が必要である。本研究ではセリウムとサマリウムを含む前駆体化合物をまず100℃以下の低温で基板上に析出させ、それを500℃以下の温度で加熱してナノ構造CeO2:Sm3+膜を得る手法を考案した。実際に得られた膜を電気化学的に処理したところ、還元による消光と酸化による発光の回復を初めて確認することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究では、フルオロクロミック無機蛍光体の開発に向けた研究を3年間を通して、(1)無機蛍光体と外部環境との相互作用機構の設計とフルオロクロミズムの発現、(2)良好なフルオロクロミズムを示す無機蛍光体の微細構造制御とプロセッシング、(3)フルオロクロミズムに基づくセンシング・イメージングを実現するデバイスの創製の3点に基づいて綿密な計画を立てて実施してきた。最初の2年間で、従来から継続的に調査を進めてきたものと新たに調査を始めた合計7種類の無機蛍光体材料について(1)から(2)の流れに沿って材料設計と合成実験を進め、さらにその中から有望な材料に対象を絞り、新規合成法の開拓と新規微細構造の実現を目指してきた。その結果、低温での水素還元応答性や水溶液中の銅イオンセンシングなど(3)に向けた材料づくりを行うことができている。一方、当初の研究期間（2020～2022年度）の半分程度はキャンパス閉鎖や入構制限などコロナ禍の影響を受けており、実験活動や物品購入にも支障が出た。よって、1年間の延長申請を行い承認をいただいている。
Strategy for Future Research Activity	研究期間を延長した令和5年度は、具体的な応用に向けてのフルオロクロミック蛍光体の性能向上、電気化学的なフルオロクロミズムの実現と応用、多色間フルオロクロミック無機蛍光体の創製など、総括的な研究から新課題の提案につなげていくことに注力したい。
Causes of Carryover	新型コロナウイルス感染症拡大のため、令和2年度から3年度において研究室への入室制限が続き、研究活動も時間的に制限されて物品の購入が少なくなった。また、国内外の各種学会もほぼオンライン開催となったため旅費の使用ができなかった。令和4年度には状況はかなり改善されたが、例えば半導体不足により必要な実験装置の納期が1年先になるなどして影響は残っている。期間延長によって着実に成果を上乗せしていきたい。