アルミニウムとエルビムを共添加した二酸化チタンからの異常発光現象

• Project/Area Number: 18656187
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Physical properties of metals
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 森永 正彦 Nagoya University, 大学院・工学研究科, 教授 (50126950)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 湯川 宏 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教 (50293676) ; 吉野 正人 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教 (10397466) ; 小笠原 一禎 関西学院大学, 理工学部, 准教授 (10283631)
• Project Period (FY): 2006 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2007: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2006: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
• Keywords: 発光材料 / 二酸化チタン / 量子材料設計 / 分子軌道法 / 電子状態 / フォトルミネッセンス / 発光スペクトル / 吸収スペクトル

Research Abstract

光通信に用いられている石英系光ファイバーは、1.5μmの波長においてその損失が最も少ない。このため、波長が1.5μm近傍の発光材料の開発が急務である。本研究の目的は、エルビウム(Er)とアルミニウム(Al)を共添加したルチル(TiO_2)からの異常発光のメカニズムを解明し、ルチル系の新しい発光材料の量子材料設計を行うことにある。平成19年度の研究成果は、以下の通りである。
1.2B属元素(Zn)添加による1.5μm帯の発光強度の増大
昨年度の研究では、フォトルミネッセンス(PL)強度は、3mol%Er-TiO_2に比べて8mo1%A1-3mol%Er-TiO_2では約18倍、14mo1%Ga-3mol%Er-TiO_2では約23倍に増大した。このような異常発光現象は、8mo1%Zn-3mol%Er-TiO_2でも見られ、Ga添加材に匹敵するPL強度が観測された。一方、8mol%Cu-3mol%Er-TiO_2では、そのような現象は見られず、発光スペクトルは3mol%Er-TiO_2とほほ同じでPL強度も弱かったこのような添加元素による違いは、Al、Ga、Znはルチル(TiO_2)相中のTiと置換するのに対して、Cuは置換しないことが考えられる。共添加材の発光は、Erを固溶したルチル(TiO_2)相からのものであることが分かった。
2.Erを固溶したルチル(TiO_2)相の中の発光の局所構造モデルの作成
電荷補償の観点から、Erイオン周りの局所構造モデルを作成した。すなわち、+3価のErはTiO_2中の侵入型位置に入り、6個の酸化物イオンで囲まれている。添加元素(+3価のGa、A1や+2価のZn)は、Er近傍にある+4価のTiと置換して、電荷のバランスをとっている。例えば、Ga、Alの場合、Er近傍に3個が配置している。
3.蛍光EXAFSによるエルビウム近傍の局所構造の決定
8mol%Ga-0.5mol%Er-TiO_2を用いて、蛍光EXAFS測定を行った結果、上記のErの侵入型モデルを支持する結果が得られた。
4.エルビウム(Er)の4f電子の多重項エネルギーの計算
侵入型モデルを用いて、相対論DV-ME法によって、多重項エネルギーの計算を行った。