分野間融合による高特性シンチレータ及び半導体結晶の創製

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21KK0082
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 横田 有為 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60517671)
• 研究分担者: 豊田 智史 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (20529656) ; 吉野 将生 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (30789938)
• 研究期間 (年度): 2021-10-07 – 2024-03-31
• キーワード: シンチレータ / ハロゲン化物 / ナノ構造化

研究実績の概要

昨年度確立したW坩堝と脱酸素断熱材を用いた高融点結晶育成技術を用いて、2200℃を超える融点を持つ酸化物単結晶材料の育成を行った。高融点結晶育成技術を用いることで、2200℃を超える融点を持つことでIr坩堝を使用した融液成長が不可能であったLu2Zr2O7、Lu2Hf2O7、La3TaO7の単結晶育成に初めて成功した。Lu3TaO7は既存材料を凌駕する9.7 g/cm3の超高密度を達成した。この他にもセスキオキサイド系や希土類ペロブスカイト系などの高融点材料の結晶育成にも成功しており、高融点材料の結晶育成に新たな製法を確立することができた。
さらに、Lu2Zr2O7、Lu2Hf2O7、La3TaO7を母材として、その希土類サイトにCe, Eu, Er等の発光中心を添加したEu:Lu2Zr2O7、Er:Lu2Hf2O7、Ce:La3TaO7等の試料に関しても同様に単結晶育成を行うことができ、各発光中心元素に起因した発光をフォトルミネッセンス測定やX線ラジオルミネッセンス測定において確認することができた。構築した評価システムを用いた物性評価の結果から、各新規シンチレータ結晶における発光メカニズムを明らかにした。一方、シンチレータピクセル毎のシンチレータ特性評価が可能な評価システムおよびX線イメージングシステムの構築を行い、イメージングシステム単体での性能として、1μmを切る解像度を有することを実証することに成功した。開発したイメージングシステムを用いて、各種ナノ構造化シンチレータ結晶において、ラインを分離して撮像することに成功した。

研究成果

• [国際共同研究] チェコ物理研(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: チェコ物理研
• [雑誌論文] Crystal growth, luminescence, and scintillation properties of Er-doped La₂Hf₂O₇ single crystal (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Naomoto、Yokota Yuui、Horiai Takahiko、Yamanoi Kohei、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Murakami Rikito、Hanada Takashi、Sato Hiroki、Ohashi Yuji、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Sarukura Nobuhiko、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 ページ: 03SP15-03SP15
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad1e97
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of Mg2Si thermoelectric eutectics by unidirectional solidification (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Naomoto、Yokota Yuui、Horiai Takahiko、Yoshino Masao、Yamaji Akihiro、Murakami Rikito、Hanada Takashi、Sato Hiroki、Ohashi Yuji、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 627 ページ: 127533-127533
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2023.127533
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical and scintillation properties of Pr3+-doped (La, Y)2Si2O7 single crystals (2024)
  • 著者名/発表者名: Abe Yuka、Horiai Takahiko、Pejchal Jan、Yokota Yuui、Yoshino Masao、Murakami Rikito、Hanada Takashi、Yamaji Akihiro、Sato Hiroki、Ohashi Yuji、Kurosawa Shunsuke、Kamada Kei、Yoshikawa Akira、Nikl Martin
  • 雑誌名: Optical Materials: X 巻: 22 ページ: 100318～100318
  • DOI: 10.1016/j.omx.2024.100318
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Relationship between crystal structure and acoustic physical properties of Ca3B(Ga,Al)3Si2O14 [B =?Nb, Ta] piezoelectric single crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Yokota Yuui、Ohashi Yuji、Horiai Takahiko、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Materials Today Communications 巻: 37 ページ: 107506-107506
  • DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.107506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of chemical composition control of colquiriite-type neutron scintillator single crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Yokota Yuui、Horiai Takahiko、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 324 ページ: 124127-124127
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2023.124127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development and x-ray imaging performance of Tb-doped GdAlO3-<i>α</i>Al2O3 submicron-diameter phase-separated scintillator fibers (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshino M.、Kamada K.、Yamamoto S.、Yajima R.、Sasaki R.、Sagisaka M.、Kataoka J.、Horiai T.、Yokota Y.、Yoshikawa A.
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 13 ページ: 025364-025364
  • DOI: 10.1063/5.0136069
  • 査読あり
• [学会発表] X線イメージング用GAGG:Ce単結晶シンチレータプレートの特性評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉野 将生、山本 誠一、矢島 隆雅、鎌田 圭、越川 七星、片岡 淳、横田 有為、吉川 彰
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] シンチレータ単結晶材料のこれまでの開発と最近の動向 (2023)
  • 著者名/発表者名: 横田有為
  • 学会等名: 第27回結晶工学セミナー バルク結晶成長の基礎と応用
  • 招待講演
• [学会発表] Functional crystals with eutectic morphology -Scintillator and thermoelectric material- (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuui Yokota
  • 学会等名: International Workshop on Recent Advances in Thermoelectric Materials & Device Development
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced Melt-Growth Method for Shape-Controlled Functional Single Crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuui Yokota
  • 学会等名: International Conference on Materials Science, Engineering & Technology (ICMSET)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Innovative crystal growth method and functional optical single crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuui Yokota
  • 学会等名: Joint Conference International Congress and Expo on Optics, Photonics and Lasers (EUROPL2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 育成雰囲気がCe3+添加 (Gd, La)2Si2O7単結晶のシンチレーション特性へ及ぼす影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 阿部 柚佳、堀合 毅彦、横田 有為、吉野 将生、村上 力輝斗、花田 貴、山路 晃広、佐藤 浩樹、大橋 雄二、黒澤 俊介、鎌田 圭、吉川 彰
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Pr3+添加(La,Y)2Si2O7バルク単結晶の光学およびシンチレーション特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 阿部 柚佳、堀合 毅彦、横田 有為、吉野 将生、村上 力輝斗、花田 貴、山路 晃広、佐藤 浩樹、大橋 雄二、黒澤 俊介、鎌田 圭、吉川 彰
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Ce添加GdScO3へのY置換による結晶構造および光学特性の影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀合毅彦，横田有為，吉野将生，Talgat Inerbaev，川添良幸，吉川彰
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議
• [学会発表] Wるつぼを使用したマイクロ引き下げ法によるEu3+添加(Y,Lu)ScO3の結晶育成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 阿部 柚佳、堀合 毅彦、横田 有為、吉野 将生、村上 力輝斗、花田 貴、山路 晃広、佐藤 浩樹、大橋 雄二、黒澤 俊介、鎌田 圭、吉川 彰
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議
• [学会発表] Crystal growth of Eu-doped (Y, Lu)ScO3 by micro-pulling-down method using W crucible (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuka Abe, Takahiko Horiai, Yuui Yokota, Masao Yoshino, Rikito Murakami, Takashi Hanada, Akihiro Yamaji, Hiroki Sato, Yuji Ohashi, Shunsuke Kurosawa, Kei Kamada, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: Development of Materials Science in Research and Education
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal growth and optical characterization of Ce-doped mixed rare-earth sesquioxide single crystals for scintillator applications (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahiko Horiai, Yuui Yokota, Masao Yoshino, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: Development of Materials Science in Research and Education
  • 国際学会
• [産業財産権] 結晶材料、シンチレータ、および放射線検出器 (2023)
  • 発明者名: 横田有為、須田貴裕、堀合毅彦、吉野将生、鎌田圭、吉川彰
  • 権利者名: 横田有為、須田貴裕、堀合毅彦、吉野将生、鎌田圭、吉川彰
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2023/020646
  • 外国