森田 孝治(もりた こうじ)：グループリーダー

メール：MORITA.Koji@nims.go.jp

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主な取り組み：新規多結晶光学材料の探索と合成手法の開発

概要： 光学セラミックスは、高効率・安全・安心な社会を人々に提供するセンサー用の窓材、ならびに高輝度光源用光学材などにおいて不可欠なキーコンポーネントである。これらの要求に資する次世代光機能材料の実現に向け大きなブレークスルーをもたらすには、新規材料開拓に向けた挑戦が不可欠である。そこで、従来のシンプル系の単相材に加え、光学セラミックス分野にブレークスルーをもたらす挑戦的な開拓領域として、「ミドル・エントロピー系」および「ハイ・エントロピー系」などの複雑系光学材料の開発に向けた研究を、機能性粉末の合成から粉末から多結晶光学デバイスを創製するためのプロセス開発までを総合的に推進する。

特徴：

• 可視-近赤外域にわたる広帯域透過材料
• 複雑系の多結晶光学材料の探索
• バルク化のための新たなプロセス開発
• 光学、構造機能性を重畳した光学材料

主な研究１：　センサー用の光学窓材として実際に利用するには、光学特性に加えて優れた機械特性や熱特性などの諸特性も不可欠である。複数の機能を重畳する光学材料を単相のシンプル系材料のみで実現することは容易ではなく、異なる機能を有する複数の材料を組合せた光学複合材料（CMC：Ceramic Matrix Composite）が必要となる。例えば、左図は赤外透過材料として知られるMgAl₂O₄スピネル表面に高硬度のα-Al₂O₃アルミナ相を積層させることで、優れた広帯域透過特性を維持しつつ、従来比2.0－2.5倍の機械的特性（高硬度）を重畳する高強度・広帯域透過特性を有する積層型の光学CMC材料を実現した。合成プロセスを最適化し、良好な接合界面を達成することで積層型の光学材料の実現に至った。

主な研究２：　オプトセラミックスにブレークスルーをもたらす新規な材料系の開発に向けた新たな領域の開拓が期待されている。近年、ハイエントロピー化による新たな機能を持った材料の探索が注目されている。ハイエントロピーとは、複数の元素を高濃度で混合した単相固溶体の総称で、金属材料、構造材料を中心に研究が進められ、新たな機能性を有する材料が報告されている。これまでに、ハイエントロピーセラミックスでも光学機能を有する材料が確認されている。ハイエントロピー材料の組合せは無限にあり、光学材料のニーズに応え得る高機能オプトセラミックスの開拓も期待できる。また、多成分、複雑系の光学セラミクスの創製に向けた新たなバルク化プロセスの開発も合わせて実施する。

まとめ：粉末原料から合成する多結晶光学セラミックスは、低コスト・生産性・大口径化に優れ、また最終形状のネット成形が可能となる上、優れた機械的特性も期待できる。更に、特性向上に繋がる組成調整、異相材料との複合化やナノ化など、柔軟な組織制御も可能であり、社会実装に繋がる成果が期待できる。

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轟 眞市（とどろき しんいち）

メール：TODOROKI.Shin-ichi@nims.go.jp

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主な取り組み：通信用光ファイバにおけるファイバフューズの励起増強挙動

概要：光ファイバによる大容量通信や光エネルギー伝送のスケールアップを阻む要因のひとつが、高強度伝送光によって光ファイバ自身が連続的に破壊される現象、ファイバフューズである。1987年の発見以来、これを完全に防ぐ方法は確立しておらず、システム側で回避する運用をするしか選択肢はない。光ファイバのコア内に閉じ込められたプラズマ状の高温高圧ガスのふるまいについての知見も不足している。定常条件下で損傷させたシリカガラス製光ファイバに残された空孔列の規則性に着目し、外場の乱れを導入した際に現れた規則性からの逸脱との関係性を調査した。ガスを包む溶融シリカガラスの挙動を介して、外部とのエネルギーのやり取りが明らかになった。

特徴：

• 空孔列の規則性とエネルギー入出力との関係に着目した独自性
• 両者が「溶融シリカガラスの粘性挙動」で結び付けられることを見抜いた視点
• コア内に閉じ込められつつ動き回る高温高圧ガスが加熱や光照射で励起されている証拠を発見
• その証拠を大量の光学顕微鏡画像から抽出した情報処理スキル
• 上記内容を直感的に理解できるようなビデオを編集(図中のQRコード参照)

主な研究：　ファイバフューズ発生を避けて通るには相手を知る必要がある。毎秒約1mで走り回る相手を直接観測するのは難しいが、その軌跡に残された規則的空孔列を手がかりにすれば(Slide 1参照)相手が見えてくる。予熱した光ファイバにフューズを走らせると、加熱区間の空孔間隔が増大するし(Slide 2参照)、自ら発した光を戻す状況を作ると、戻り光を吸収して自らの専有領域を延伸させる(Slide 3参照)。ファイバフューズに供給する光の強度を急変動させると、空孔列の規則性が局所的に乱れるが、それは高温高圧のガスを包む溶融シリカガラスが入力光の急変動に遅れて追随することを考慮すれば、うまく説明できることがわかった(lide 4参照)。

まとめ：

• ファイバフューズへの供給光強度を増やすと空孔間隔が増大することは知られていたが、温度上昇でも増大することがわかった。
• ファイバフューズからの発光をガラス表面で全反射させて戻すと、そのエネルギーを吸収して専有体積が増大することがわかった。
• ファイバフューズへの供給光強度を急変動させると、ガスを包む溶融ガラスが遅れて追随するので、空孔列の周期性に乱れが生じる。

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李 継光（りー じーごん）

メール：LI.Jiguang@nims.go.jp

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主な取り組み：Inorganic optical materials

概要：Phosphors and transparent ceramics are optically functional materials that are finding wide applications in LED lighting, display, solid state lasers, and scintillation. The current advances in the above technological fields are imposing a strong need for new materials and fabrication technologies to achieve cost reduction and improved/novel optical properties.

特徴：Through rational design of precursors and synthesis technologies, highly sinterable ceramics powders that can be fully densified at significantly reduced temperatures can be produced Through morphology control of the crystallites (size/shape/exposed facets), improved/novel luminescence properties can be attained Through polyhedron design of the activator ion and composition/structure design of the host lattice, high performance new phosphors can be expected

主な研究：　

The top Figure shows multicolor emitting (Gd,Ln)₃(Al,M1/M2)₅O₁₂:R³⁺ phosphors, where Ln is a lanthanide element, M1 and M2 are 2+ and 4+ charged dopant ions, respectively, and RE³⁺ is an activator ion. The compounds were derived by modifying the Gd and Al sites of Gd₃Al₅O₁₂ garnet (GAG), and such a strategy not only stabilized the metastable lattice of GAG but also produced multicolor luminescence by doping different types of activators.
The bottom Figure shows the (Y,Gd)₂O₃:Eu³⁺ transparent ceramics, which were fabricated via vacuum sintering at only 1700 °C for 4 h but are as transparent as the corresponding single crystals. The oxide powders used for sintering were obtained by engineering of layered hydroxide nanosheets, including composition design and thickness control, followed by proper calcination. The derived oxide particles showed high dispersion, high specific surface area and unimodal size distribution, revealing the significant advantages of the synthesis technology.

まとめ：The ultimate goal of research is to develop advanced phosphors and transparent ceramics for application in the important fields of lighting/display, solid laser and scintillation (imaging), which is largely based on controllable processing of powders and rational design of chemical composition and crystal structure of the materials.

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バジルキフ オレグ

メール：Oleg.VASYLKIV@nims.go.jp

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主な取り組み：Deformation-resistant multipurpose ultra-hight temperature ceramics

概要：We are currently conducting research in the chemical structural engineering of deformation-resistant UHTC carbides, borides, nitrides, and composites with ultra-hardness and ultra-high strength. We have combined the merits of powder synthesis and electric current activated sintering technique for the design of techniques applied on powder body with establishing morpho-structural and compositional features, which lead to the fabrication of bulk ceramics with superior characteristics.

特徴：

• multipurpose deformation-resistant UHTC carbides, borides, nitrides and composites
• sufficient balance between ultra-high hardness, ultra-strength, toughness and modulus
• morpho-structural and compositional features with superior characteristics.
• gas turbine operation in a combined cycle power plants

主な研究：　Deformation-resistant UHTC high-entropy ceramics and composites becoming extremely attractive. Light, ultra-hard bulk B4C-based composites with hierarchical superstructure with deformation resistivity from RT to 2000°C (Fig. 1(a)) exhibit change in the deformation mechanism from brittle fracture to plastic deformation, and flexural strength far exceeding 1000MPa at 1800 - 2000°C (Fig. 1(b, c)). Depending on the loading rate, B₄C-based ceramic showed 1000 - 8400MPa strength at 2000°C (Fig. 1(b)). Bulk ultrastrong TiB₂-B₄C ceramic exhibits a mean flexural strength of 1000MPa up to 1800°C, and further increasing to 1760MPa at 2000°C. Recently produced bulk, ultrahard, tough, deformation-resistant Ta diboride, Ta monoboride, Zr-Ta multiboride, and high-entropy TaB₂-ZrB₂-TiB₂-HfB₂.

まとめ：The request for new multipurpose deformation-resistant ultra-high temperature ceramics (UHTC), able to act as special engine and vehicle protection, ceramic segmented leading edge components for aerospace, plasma-facing, ceramic parts for solar towers used for gas turbine operation in a combined cycle power plants (grids, superheaters, reheaters, evaporators, steam turbines, condensers, and chimneys) cause the worldwide demand in a new class of ceramic composites of incredible high strength, the sufficient balance between high toughness, hardness, and high-modulus.

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