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2013 年度 実施状況報告書

異常原子価3d遷移金属を発光中心とする広帯域光増幅器用結晶化ガラス材料の開発

研究課題

研究課題/領域番号 25620184
研究種目

挑戦的萌芽研究

研究機関京都大学

研究代表者

田部 勢津久  京都大学, 人間・環境学研究科(研究院), 教授 (20222119)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
キーワードガラス / 光通信 / 遷移金属 / 異常原子価 / 光ファイバ / 結晶化ガラス
研究概要

超広帯域波長多重光ファイバ通信実現のため,近赤外波長域に広帯域発光を示す光増幅器用3d遷移金属イオン含有透明結晶化ガラスの開発を目指した.そのため,通常安定な3価や6価でなく,クロム(IV)イオンを安定化できる酸化物結晶の作製と評価,同結晶を析出できる結晶化ガラス組成の探索と結晶析出のための熱処理条件の最適化,析出結晶の粒径,ガラスマトリックスとの屈折率差と光透過率の関係解明,結晶中およびマトリックス中に存在するクロムイオンの価数状態と光物性の調査を行った.
まず,Cr4+イオンを安定に固溶し得る結晶化ガラスの組成探索と母ガラス作製,熱処理前後の基礎光物性評価を行った.Zn2SiO4, Mg2SiO4, Li2ZnSiO4結晶はそれぞれZnO4やSiO4の四面体サイトを有するために,クロムはd2電子配置=4価の状態で安定に固溶する.
ターゲット結晶の構成成分を含み,かつ適度な熱的安定性が期待されるケイ酸塩組成のガラスを溶融法で作製した.得られたガラスは何種類かの温度で熱処理し,析出結晶とその粒径をXRD等により確認した.各試料はダイアモンドカッターで切削加工研磨,光物性測定に供した.作製した試料の発光スペクトル,蛍光寿命,量子収率を評価した.
X線回折により,目的組成のナノ結晶が析出していることを確認した.いずれの試料も熱処理結晶化後はCr4+に基づく1.1~1.5μmの波長領域に広帯域発光を示した.Mg2SiO4試料のみ,Cr3+イオンに基づく,0.9μm付近の発光を示した.他の2試料に比べ,Li2ZnSiO4析出結晶化ガラス試料は長い蛍光寿命と高い量子効率を示した.Tanabe-Suganoダイアグラムより検討した結果,同試料は結晶場強度が強く,1E準位から3A基底状態へのスピン禁制遷移が支配的であったのに対し,Zn2SiO4結晶析出試料は,結晶場強度が弱く,長波長発光を示すが,3重項間のスピン許容遷移が優勢になるため,蛍光寿命が短かったと考察された.

現在までの達成度 (区分)
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

Cr4+イオン状態を安定に固溶できるケイ酸塩ナノ結晶を析出させた,3種類の結晶化ガラス試料の作製に成功した.いずれも母ガラスはCr3+イオンを含んでいたが,熱処理,結晶析出後に4価が安定に固溶され,着色が変化した.結晶化後にはCr4+イオン特有の波長1μm以上の長波長発光が観測され,光ファイバ通信波長域に広帯域な発光を得ることができた.中でもLi2ZnSiO4結晶析出試料は長い蛍光寿命と高い量子効率を確認できた.

今後の研究の推進方策

長い蛍光寿命と高い量子効率を確認できたLi2ZnSiO4結晶析出結晶化ガラス試料について,蛍光スペクトル特性や蛍光寿命の評価を進めつつ,母ガラス組成,熱処理条件の最適化,添加Cr濃度の最適化,光増幅実験を行う.

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (9件) (うち招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Effect of Bi2O3 doping on persistent luminescence of MgGeO3:Mn phosphor2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Katayama, J. Ueda, S. Tanabe
    • 雑誌名

      Opt. Mater. Express

      巻: 4[4] ページ: 613-623

    • DOI

      10.1364/OME.4.000613

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Tunable trap depth in Zn(Ga1-xAlx)2O4:Cr,Bi red persistent phosphors: considerations of high-temperature persistent luminescence and photostimulated persistent luminescence2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe
    • 雑誌名

      J. Mater. Chem. C

      巻: 1[47] ページ: 7849-7855

    • DOI

      10.1039/C3TC31462F

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Conversion of Valence State and Coordination State of Fe in Transparent Glass-Ceramics Containing Li2ZnSiO4 Nanocrystals2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhuang, S. Tanabe
    • 雑誌名

      J. Am. Ceram. Soc.

      巻: 96[9] ページ: 2864-2869

    • DOI

      10.1111/jace.12398

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of Red Persistent Luminescence in Cr-Doped ZnGa2O4 Phosphors by Bi2O3 Codoping2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 6[5] ページ: 052602-1-4

    • DOI

      10.7567/APEX.6.052602

    • 査読あり
  • [学会発表] Mn-Bi 共添加MgGeO3蛍光体における赤色長残光機能発現2014

    • 著者名/発表者名
      ○片山裕美子、上田純平、田部勢津久
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2014年年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス (横浜)
    • 年月日
      20140317-20140319
  • [学会発表] 赤色長残光を示すCr添加透明結晶化ガラスの作製と光学特性評価2014

    • 著者名/発表者名
      ○松崎乃里子、庄逸煕、上田純平、田部勢津久
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2014年年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス (横浜)
    • 年月日
      20140317-20140319
  • [学会発表] Broadband near-infrared luminescence in Cr4+-activated transparent glass ceramics2013

    • 著者名/発表者名
      ○Y. Zhuang, S. Tanabe
    • 学会等名
      第54回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • 発表場所
      産業技術総合研究所 関西センター(池田)
    • 年月日
      20131122-20131122
  • [学会発表] Red persistent and photostimulable phosphors for bio-imaging (基調講演)2013

    • 著者名/発表者名
      ○S. Tanabe, Y. Katayama
    • 学会等名
      The 2nd International Workshop on Persistent and Photostimulable Phosphors
    • 発表場所
      華南理工大学 (広州、中国)
    • 年月日
      20131117-20131121
    • 招待講演
  • [学会発表] Tunable trap depth in Zn(Ga1-xAlx)2O4:Cr,Bi red persistent phosphors: considerations of high-temperature persistent lumines cence and photostimulated persistent luminescence2013

    • 著者名/発表者名
      ○Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe
    • 学会等名
      The 2nd International Workshop on Persistent and Photostimulable Phosphors
    • 発表場所
      華南理工大学 (広州、中国)
    • 年月日
      20131117-20131121
  • [学会発表] Effect of Bi doping on persistent luminescence and photo-stimulated luminescence properties of MgGeO3:Mn2013

    • 著者名/発表者名
      ○Y. Katayama, J. Ueda, S. Tanabe
    • 学会等名
      International Workshop on Luminescent Materials 2013 (LumiMat'13)
    • 発表場所
      京都大学芝蘭会館別館 (京都)
    • 年月日
      20131114-20131115
  • [学会発表] Photoconductivity and electronic structures of persistent phosphors2013

    • 著者名/発表者名
      ○S. Tanabe, J. Ueda
    • 学会等名
      2013 JSAP-MRS Joint Symposia,Sympo. I:"Rare Earth Doped Advanced Materials for Photonic Applications
    • 発表場所
      同志社大学田辺キャンパス (京田辺)
    • 年月日
      20130916-20130920
    • 招待講演
  • [学会発表] Bi2O3添加MgGeO3:Mn蛍光体における赤色長残光特性2013

    • 著者名/発表者名
      ○片山裕美子、上田純平、田部勢津久
    • 学会等名
      第35回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学田辺キャンパス (京田辺)
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] Effect of Zn/Ga ratio on persistent luminescence in Bi or/and Cr doped ZnGa2O4 phosphors2013

    • 著者名/発表者名
      ○Y. Zhuang, S. Tanabe
    • 学会等名
      10th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 10)
    • 発表場所
      Hotel Del Coronado (San Diego, USA)
    • 年月日
      20130802-20130807
  • [備考] 京都大学 人間・環境学研究科 田部研究室

    • URL

      http://www.talab.h.kyoto-u.ac.jp/

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公開日: 2015-05-28  

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