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ガラスのミクロ偏析誘起による超高速核形成と結晶化

研究課題

研究課題/領域番号 19K15663
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分36010:無機物質および無機材料化学関連
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

篠崎 健二  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (10723489)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード核形成 / 不均質 / ナノ結晶 / 中距離構造 / X線全散乱 / 分子動力学法 / 第一原理計算 / アップコンバージョン / ガラス / 非晶質構造解析 / ミクロ偏析 / フッ化物ナノ結晶 / XAFS / 微小球 / 構造解析 / ゆらぎ / 太陽光波長変換材料 / 過冷却融液 / レーザー / 非晶質構造 / 結晶化
研究開始時の研究の概要

ガラス中に機能性のナノ結晶を析出させることで、波長変換などの様々な機能性を持った機能性の高透明部材が得られる。ガラス(または過冷却融液)から析出する結晶の粒径は、核形成と結晶成長のそれぞれの速度の競合によって決まり、核形成が速く成長が遅ければ結晶粒径は小さくなる。本研究では、従来の長時間熱処理による結晶化とは一線を画す、融液冷却固化過程での超高速ナノ結晶化を目指す。ガラスの中距離構造、ミクロ偏析を設計することで、超高速の核形成が実現し、超短時間熱処理でナノ結晶化可能であることを実証するとともに、その材料設計指針を明らかにする。

研究成果の概要

ミクロ偏析を誘起する材料設計指針及び、ミクロ偏析を核形成サイトとして利用することで超高速の核形成が可能にすることを目的に研究を行った。ミクロ偏析の構造解析のため、動径分布関数の解析や分子動力学による構造シミュレーションを行った。ガラスのミクロ偏析はHBSA則で示唆されるようにBaF2などのフッ化物とB2O3などの酸化物間では混和性が低いが、それに中間程度の極性の第三成分を加えることで混合状態の制御ができることを提案した。これにより核形成に好適な構造を設計する指針を提示した。さらに、ガラスの融液冷却過程での結晶化に取り組み、冷却過程でのナノ結晶化が可能であることを実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ガラス(または過冷却融液)から析出する結晶の粒径は、核形成と結晶成長のそれぞれの速度の競合によって決まり、核形成が速く成長が遅ければ結晶粒径は小さくなる。結晶成長の制御は粘性の調整等の指針がある一方、核形成については十分理解が進んでおらず、これまでは試行錯誤により制御するしかなかった。本研究ではガラスと結晶の構造類似性の設計方法を提案し、ガラス構造設計により核形成を加速する指針を明らかにした。また、従来困難だった急冷過程でのナノ結晶化にも成功した。この成果はより高効率の材料開発及び、高生産性での材料作製やデバイス形成の実現につながる。

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 11件、 招待講演 3件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] Coe College(米国)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Up-conversion Luminescence Enhanced by the Plasmonic Lattice Resonating at the Transparent Window of Water2021

    • 著者名/発表者名
      Gao Yuan、Murai Shunsuke、Shinozaki Kenji、Tanaka Katsuhisa
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 4 号: 4 ページ: 2999-3007

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c01826

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Photoluminescence and structural similarity of crystals with oxide–fluoride stacking structure and oxyfluoride glass2020

    • 著者名/発表者名
      SHINOZAKI Kenji、SUKENAGA Sohei、OHARA Koji
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 128 号: 12 ページ: 1030-1037

    • DOI

      10.2109/jcersj2.20168

    • NAID

      130007949055

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2020-12-01
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Impact of crystallization method on the strain, defect formation, and thermoluminescence of YAG: Ce crystals2020

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Go Okada, Kiminori Sato, Ruize Yu, and Mario Affatigato
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 849 ページ: 1566001-156606

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2020.156600

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Aluminum for Near Infrared Plasmonics: Amplified Up‐Conversion Photoluminescence from Core?Shell Nanoparticles on Periodic Lattices2020

    • 著者名/発表者名
      Gao Yuan、Murai Shunsuke、Shinozaki Kenji、Ishii Satoshi、Tanaka Katsuhisa
    • 雑誌名

      Advanced Optical Materials

      巻: 9 号: 1 ページ: 2001040-2001040

    • DOI

      10.1002/adom.202001040

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural origin of high-density Gd2O3-MoO3-B2O3 glass and low-density β'-Gd2(MoO4)3 crystal: a study conducted using high-energy x-ray diffraction and EXAFS at high temperatures2020

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Hiroki Tsuchiya, Tsuyoshi Honma, Koji Ohara, Hirokazu Masai,Toshiaki Ina, Takayuki Komatsu
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 32 号: 5 ページ: 055705-055705

    • DOI

      10.1088/1361-648x/ab4e64

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Massive red shift of Ce3+ in Y3Al5O12 incorporating super-high content of Ce2020

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Hitomi、Shinozaki Kenji、Okumura Toyoki、Nomura Katsuhiro、Akai Tomoko
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 10 号: 21 ページ: 12535-12546

    • DOI

      10.1039/d0ra01381a

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rapid Synthesis of Quantum-Sized Organic?Inorganic Perovskite Nanocrystals in Glass2020

    • 著者名/発表者名
      Shinozaki Kenji、Kawano Naoki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 号: 1 ページ: 1237-1237

    • DOI

      10.1038/s41598-020-58266-2

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 酸フッ化物ガラスの 構造と結晶化, 光機能2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二
    • 雑誌名

      セラミックス誌

      巻: 54 ページ: 611-614

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Photoluminescence and Scintillation in New Oxyfluoride Glasses with Designed Fluoride Segregation2020

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki
    • 学会等名
      Online Summit On Carbon materials and Nanotechnology
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Glass structure of fluoroborate glasses precipitate NaYF4 nanocrystals and nanocrystallization in melt-quenching process2020

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Koji Ohara
    • 学会等名
      Glass Meeting 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nanocrystallization of fluoroborate glasses and their structure, photoluminescence, and scintillation properties2020

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Sohei Sukenaga, Koji Ohara, Noriaki Kawaguchi, Takayuki Yanagida
    • 学会等名
      45th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] フツホウ酸ガラスの構造とNaYF4ナノ結晶化機構2020

    • 著者名/発表者名
      篠崎 健二、石井 良樹
    • 学会等名
      The 31st Meeting on Glasses for Photonics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Pr添加TeO2Al2O3BaOガラスの作製とシンチレーション特性評価2020

    • 著者名/発表者名
      高久 暁人、河野 直樹、木村 大海、中内 大介、赤塚 雅紀、篠崎 健二、柳田 健之
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 希土類モリブデン酸塩系ガラスが有する析出結晶よりも高い充填密度の構造的起源解明2020

    • 著者名/発表者名
      篠崎 健二、土屋 博樹、伊那 稔哲、尾原 幸治、本間 剛、小松 高行
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 酸フッ化物ガラスの冷却過程でのナノ結晶化ガラス微小球の作製とアップコンバージョン発光2020

    • 著者名/発表者名
      篠崎 健二、Gao Yuan、金高 健二、赤井 智子、岸 哲生、矢野 哲司
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Nanocrystallization of NaYF4 in fluoroborate glasses in melt-cooling process and the impact of glass structure2020

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki
    • 学会等名
      Virtual Glass Meeting 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Glass structure and nanocrystallization mechanism of BaF2-ZnO-B2O3 glasses2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Yoshiki Ishii, Sohei Sukenaga, Hiroyuki Shibata, Koji Ohara
    • 学会等名
      International Congress on Glass 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Impact of Additives on Nanocrystallization of BaF2 in Fluoroborate System2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki
    • 学会等名
      International Congress on Glass 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photoluminescence and Scintillation in New Oxyfluoride Glasses with Designed Fluoride Segregation2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Sohei Sukenaga, Hiroyuki Shibata, Koji Ohara, Go Okada, Noriaki Kawaguchi, Takayuki Yanagida
    • 学会等名
      2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Synthesis, structure and physical properties of 1La2O3:2WO3:1B2O3 glass containing Nb2O52019

    • 著者名/発表者名
      Lyubomir I. Aleksandrov, Reni Iordanova, Margarita Milanova, Kenji Shinozaki, Takayuki Komatsu
    • 学会等名
      International Congress on Glass 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis and Luminescence of Layered Organic-Inorganic Perovskite Nanocrystals in Glass2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Naoki Kawano
    • 学会等名
      2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nucleation mechanism from fluoride segregation in new transparent oxyfluoride crystallized glass2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Sohei Sukenaga, Hiroyuki Shibata, Koji Ohara
    • 学会等名
      2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 希土類モリブデン酸塩系ガラスが有する析出結晶よりも高い充填密度の構造的起源解明 :高温XAFSおよび高温高エネルギーX線全散乱解析2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二、土屋博樹、伊那稔哲、本間剛、小松高行
    • 学会等名
      第60回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] ガラス融液冷却過程でのBaF2ナノ結晶析出と中距離構造の効果2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二、尾原幸治
    • 学会等名
      The 30th Meeting on Glasses for Photonics
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Ce3+ドープMgF2-Al2O3-B2O3ガラスの蛍光及びX線励起発光特性2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二、中内大介、岡田豪、河口範明、柳田健之
    • 学会等名
      第67回応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 過冷却融液固化により合成したYAG:Ceの蛍光及び熱ルミネッセンス特性2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二、岡田豪、Mario Affatigato
    • 学会等名
      第67回応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 融液急冷過程でフッ化物ナノ結晶析出させた透明結晶化ガラスファイバー及び微小球作製2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二、赤井智子、岸哲生、矢野哲司
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2020年年会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] ハロゲン含有ガラスの融液冷却過程での透明ナノ結晶化2019

    • 著者名/発表者名
      篠崎健二、尾原幸治、赤井智子
    • 学会等名
      第60回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] The Structural Origin of High Density of Gd2O3-MoO3-B2O3 Glass and Low Density of b"-Gd2(MoO4)3 Crystal Investigated by High-Energy X-ray Diffraction at High Temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Shinozaki, Hiroki Tsuchiya, Tsuyoshi Honma, Koji Ohara, Hirokazu Masai, Toshiaki Ina, Takayuki Komatsu
    • 学会等名
      The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [産業財産権] 結晶化ガラスおよびその製造方法2020

    • 発明者名
      篠崎健二、赤井智子
    • 権利者名
      国立研究開発法人産業技術総合研究所
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2018-113179
    • 出願年月日
      2020
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2022-01-27  

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