2020 Fiscal Year Annual Research Report
Chemical vapor deposition-induced defect structures for highly efficient luminescence
Publicly Offered Research
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
20H05186
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
伊藤 暁彦 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20451635)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 化学気相析出 / レーザー工学 / ナノ構造制御 / 蛍光特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、透明セラミックス体の合成手法として高速化学気相析出法を提案し、析出過程にて導入される欠陥構造を高効率発光源とする透明蛍光体を創製することを目的とする。酸化マグネシウム (MgO) をモデル材料として、透明セラミックス蛍光体の合成プロセスを確立し、岩塩型構造における酸素欠損およびナノ構造形成と発光機構や量子効率との関係を調べる中で、「岩塩型結晶における機能コア」を明らかにする。MgOは、大きいバンドギャップ (7.8 eV)、多種の陽イオン、陰イオン空孔由来の捕獲中心や発光中心をもち、優れた光学的特性を有する光学材料である。
2020年度は、原料濃度、成膜温度、成膜炉内圧力を変化させながらMgO厚膜を合成し、微細組織と蛍光特性の関係のマッピングを作成しながら明らかすることを目的に、実験に着手した。出発原料には、Mgの有機金属化合物を用い、原料炉内で所定の温度で気化させ前駆体ガスとした。基板には、溶融石英ガラスや各種酸化物の単結晶基板を用い、加熱ステージ上でレーザー照射により加熱した。合成した試料は、X 線回折により相同定を行い、組織観察は走査型電子顕微鏡により観察した。蛍光特性は、蛍光スペクトル評価装置により測定した。
2020年度に得られた実験結果から、高成膜温度・高炉内圧力で合成したMgO膜に顕著な自己配向成長と羽毛状組織形成が認められた。羽毛状組織を有する(111)MgOエピタキシャル膜は、励起波長 220 nm、発光波長300-450 nmにおいて、F+中心由来のフォトルミネッセンスを示した。本年度導入した分光蛍光光度計を用いた蛍光特性評価を進める中で、レーザーを援用した化学気相析出法を用いて合成したMgO厚膜に見られる顕著な蛍光発光の要因となっている発光機構が見えてきた。
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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
2020年度は、原料濃度、成膜温度、成膜炉内圧力を変化させながらMgO厚膜を合成し、微細組織と蛍光特性の関係のマッピングを作成しながら明らかにできた。組成や温度が組織に与える影響を系統的に調べることで実験データを積み上げていき、合成条件による組織制御の基礎的な知見とできた。一方、蛍光特性評価を進める中で、顕著な蛍光発光の要因となっているMgOの発光機構が見えてきた。この発光機構の絞り込みを行うためには、様々な組織を持つMgO膜の蛍光特性をより高感度かつ迅速に測定することが研究推進に必須となったため、当初2020年度予算に計上していたマルチチャンネル分光器への量子効率測定対応に替えて、分光蛍光光度計を導入した。これにより研究ペースが飛躍的に向上した。以上より、本研究課題はおおむね順調に進展しているものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験結果の評価や情報収集を進めるなかで、現在、候補としているMgO厚膜の発光機構の評価のためには、さらに熱ルミネッセンス測定を通じて詳細な評価ができることがわかってきたため、2021年度には熱ルミネッセンス測定装置を立ち上げる。また、昨年度より取り組んできた分析電顕を用いたMgO厚膜のナノ構造や電子構造評価の結果も出てくる予定である。2021年度は、さらにMgO厚膜への異価数元素の導入が欠陥構造や発光機構に与える影響を検証する研究テーマを進める。これらの実験データを基に、「岩塩型結晶における機能コア」を明らかにする。
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