無容器法による希土類酸化物を主成分とする超高屈折率低分散ガラスの合成と構造解析

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25410236
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 増野 敦信 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (00378879)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: ガラス構造 / ガラス形成則 / 高屈折率 / X線回折 / 中性子回折 / ラマン散乱

研究概要

希土類酸化物を主成分とするガラス系として，La2O3-Nb2O5二元系，La2O3-B2O3二元系，そしてLa2O3-Nb2O5-B2O3三元系に関する熱物性，光学特性，振動物性，構造物性を調べた．中でも25 < x < 40，59 < x < 62においてガラス化するxLa2O3-(100-x)Nb2O5ガラスについて，放射光X線回折，中性子回折のデータを元に計算機シミュレーションにより構造モデルを導いた．その結果，La-richガラスとNb-richガラスとで，Nb-O多面体の結合状態に大きな違いがある一方で，La-O多面体にはそれほど違いがないことを明らかにした．ガラス化範囲が2つに分かれ，熱特性，光学特性，密度にも違いがあることから，La3+の局所構造にも違いがあると考えられたが，実際にはその差は小さかった．このことは，La2O3-Nb2O5二元系ガラスでは，Nb-Oのつながりの有無によって，物性が大きく異なったということを意味する．ただし，それでもLa-rich組成がガラス化したということは，La3+とO2-とである程度ランダムな原子配列をすることさえできれば，La-O多面体を主成分としたガラスが形成されうると推察できる．
La2O3-B2O3系の2組成（La-richガラス，B-richガラス）については，高エネルギー放射光X線回折実験と中性子回折実験から，全相関関数を導出した．
さらに，Eu3+を1mol%程度ドープした希土類酸化物を主成分とするガラスについてのX線吸収微細構造（EXAFS）スペクトルを，SPring-8のBL14B2で取得した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

La2O3-Nb2O5二元系ガラスにおいて，La3+，Nb5+，O2-が果たすガラス形成における役割を，構造学的に明らかにすることができた．また，ガラス構造と超高屈折率の間の関係を明確にし，今後の高屈折率ガラスを得る指針を提示することができた．申請していたSPring-8 BL14B2でのEXAFSの実験課題は採択され，多くの有用なデータを得た．以上の成果から，当初の研究計画は，研究目的に沿って順調に進展しているといえる．
また，本研究で得られたガラスは応用の観点からも興味深かったため，研究成果を学術論文として発表しただけでなく，一般向けプレスリリースを行った．その反響は予想以上に大きく，様々な学会，セミナーなどでの招待講演をする機会を得た．

今後の研究の推進方策

25年度と同様に，希土類酸化物を主成分とする新規超高屈折率低分散ガラスの合成とその基礎物性測定，構造解析を進める．主にLa2O3-Nb2O5，La2O3-B2O3をベースとして，三元系，四元系に拡張する．Nb2O5に対してはTa2O5やAl2O3でほとんど置換できることがわかっている．La2O3-Nb2O5系との類似点，相違点からNb5+とTa5+，Al3+の特性や構造に対する影響の違いを導き出すことが出来る．同様にLa2O3-B2O3に対してTa5+，Al3+，Zr4+，Hf4+等を添加し，構造解析と共に光学ガラスとしての評価（熱安定性，光学特性）を行う．
合成したガラスについて，高エネルギーXRDをSPring-8で測定する．中性子回折については，イギリスISISでの実験課題が採択された．また，海外だけでなくJ-PARKでの測定も考慮に入れ，ビームライン担当者と実験申請準備を進める．
FLNやEXAFSの実験結果をより詳細に解析するため，結晶場理論に基づくスペクトル計算を行う．計算には，25年度に計算機実験によって作成した局所構造モデルを用いる．ここから電子レベルで構造モデルの妥当性が確かめられる．

研究成果

• [雑誌論文] Adiabatic small polaron hopping in K2O-WO3-Nb2O5-P2O5 glasses (2014)
  • 著者名/発表者名: I. Oliva, A. Masuno, H. Inoue
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 255 ページ: 56-59
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.12.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] 無容器浮遊法による超高屈折率ガラスの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 雑誌名: 粉体および粉末冶金 巻: 61 ページ: 11-17
  • DOI: 10.2497/jjspm.61.11
  • 査読あり
• [雑誌論文] 超高屈折率ガラス (2014)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 雑誌名: 工業材料 巻: 62 ページ: 70-71
• [雑誌論文] Surface characterization of silica glass substrates treated by atomic hydrogen (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Inoue, A. Masuno, Y. Zhang, F. Utsuno, K. Koya, A. Fujinoki, H. Kawazoe
  • 雑誌名: Materials Characterization 巻: 86 ページ: 283-289
  • DOI: 10.1016/j.matchar.2013.10.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilization of metastable ferroelectric Ba1－xCaxTi2O5 by breaking Ca-site selectivity via crystallization from glass (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, C. Moriyoshi, T. Mizoguchi, T. Okajima, Y. Kuroiwa, Y. Arai, J. Yu, H. Inoue, Y. Watanabe
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 3 ページ: 3010
  • DOI: 10.1038/srep03010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Weak ferromagnetic transition with dielectric anomaly in hexagonal Lu0.5Sc0.5FeO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, A. Ishimoto, C. Moriyoshi, N. Hayashi, H. Kawaji, Y. Kuroiwa, H. Inoue
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 52 ページ: 11889-11894
  • DOI: 10.1021/ic401482h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Drastic connectivity change in high refractive index lanthanum niobate glasses (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, S. Kohara, A. C. Hannon, E. Bychkov, H. Inoue
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 25 ページ: 3056-3061
  • DOI: 10.1021/cm401236s
  • 査読あり
• [雑誌論文] The local structure and vibrational properties of BaTi2O5 glass revealed by a molecular dynamics simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Inoue, A. Masuno, S. Kohara, Y. Watanabe
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 117 ページ: 6823-6829
  • DOI: 10.1021/jp401730f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic scale identification of individual lanthanide dopants in optical glass fiber (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Mizoguchi, S. Findlay, A. Masuno, Y. Saito, H. Inoue, Y. Ikuhara
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 7 ページ: 5058-5063
  • DOI: 10.1021/nn400605z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Network topology for the formation of solvated electrons in binary CaO-Al2O3 composition glasses (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Akola, S. Kohara, K. Ohara, A. Fujiwara, Y. Watanabe, A. Masuno, T. Usuki, T, Kubo, A, Nakahira, K. Nitta, T, Uruga, J. K. R. Weber, C. J. Benmore
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 110 ページ: 10129-10134
  • DOI: 10.1073/pnas.1300908110
  • 査読あり
• [雑誌論文] アルミン酸カルシウムガラスにおける溶媒和電子の形成を促すかご状構造 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小原真司，尾原幸治，増野敦信，臼杵毅
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 55 ページ: 356-361
  • DOI: 10.5940/jcrsj.55.356
  • 査読あり
• [学会発表] Transparent and high refractive index La2O3-WO3 glasses prepared by containerless processing (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, K. Yoshimoto, H. Inoue, Y. Watanabe
  • 学会等名: the 23rd International Congress on Glass
  • 発表場所: Prague, the Czech Republic
  • 年月日: 20130630-20130705
• [学会発表] Structure of high refractive index La2O3-Nb2O5 glasses prepared by containerless processing (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, S. Kohara, H. Inoue
  • 学会等名: 10th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 20130602-20130607
• [学会発表] 無容器法で合成した高充填密度ガラスの機械的性質
  • 著者名/発表者名: 増野敦信，グスターボ ロサレス，井上博之，金 兌現，松本和也，小島誠治
  • 学会等名: 応用物理学会2014春季講演会シンポジウム「割れないガラス」の最先端研究動向と新たな展開
  • 発表場所: 青山学院大学
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器法による機能性準安定酸化物の合成
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: JAIST-SPring-8連携講座シンポジウム「量子ビームを用いたマテリアルサイエンスの最前線」
  • 発表場所: 北陸先端科学技術大学院大学
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器法により合成した機能性酸化物ガラスの構造と物性の相関
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: SPRUC拡大研究会・SPring-8利用ワークショップ
  • 発表場所: SPring-8
  • 招待講演
• [学会発表] 高温対応可能なセラミックスコンデンサー用素材の開発
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: &Techセミナー「MLCC向けチタン酸バリウムおよび酸化チタン粉体の粒子の超微粉化、粒径調整、高誘電率化」
  • 発表場所: 川崎
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器浮遊法により合成した機能性酸化物の特性と構造
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: セントラル硝子株式会社 社内セミナー
  • 発表場所: 松阪
  • 招待講演
• [学会発表] XAFSによる非晶質相と準安定結晶相の局所構造解析
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 第16回XAFS討論会
  • 発表場所: 東京大学
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器浮遊法による機能性酸化物の合成
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 日本電気硝子株式会社 社内セミナー
  • 発表場所: 大津
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器浮遊法による超高屈折率ガラスの開発
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会平成25年度春季講演大会
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [備考] 超高屈折率のカギは常識を覆すガラス構造にあり
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_250803_j.html
• [備考] 新しい高温対応コンデンサ用材料の開発に成功
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_251022_j.html
• [備考] 光ファイバーの中のレアアースが観えた！
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_250530_j.html
• [備考] 超高屈折率のカギは常識を覆すガラス構造にあり －超高屈折率ガラス開発へ新たな道－
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2013/130803/
• [備考] 超高屈折率ガラスを開発
  • URL: http://commune.spring8.or.jp/finding/140114.html