光学単結晶グループ | 電子・光機能材料研究センター

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光学単結晶グループ

グループリーダー

島村 清史

グループメンバー

中村 優
ビジョラ ガルシア

任期制職員など

目的

  • 新しい単結晶材料の設計とバルク単結晶化、それらの評価とデバイス化
  • それぞれの材料に適した結晶成長技術開発

アプローチ

  • レーザー・非線形光学結晶、磁気光学結晶、シンチレーター結晶、ワイドバンドギャップ半導体、圧電・強誘電体単結晶など応用分野を限定せず、単結晶全般を対象とする。
  • 近年は、高輝度白色照明に適した単結晶蛍光体、レーザー加工機等のための光アイソレーター用ファラデー回転子、燃焼圧センサー等を視野に入れた高温センサー用圧電体単結晶、新しいワイドギャップ半導体である酸化ガリウム、赤外光学用途を視野に入れたカルコゲナイド単結晶などを開発
  • 大学・研究機関、企業との連携を進めると同時に積極的な国際交流を推し進め、常に新しい観点からの、基礎から実用化まで幅のある研究を目指す。
研究で開発された透明度の高い鮮やかな黄色の単結晶。円錐状のバルク形状で、表面には結晶成長特有の規則正しい段差や縞が確認できます。内部に濁りのない透き通った質感は欠陥が極めて少ない高品質な結晶であることを示しており、次世代の高輝度レーザーや光学素子への応用が期待される新材料です。

図１  チョクラルスキー法によるCe:YAG単結晶蛍光体(黄色)。従来の粉末合成による蛍光体に比べて変換効率が高い。高温でも良好な特性が維持されるので、特に超高輝度発光素子に好適である。

次世代高出力レーザー用の磁気光学単結晶ティー・エス・エル・エー・ジーの大型インゴット。透明なレモンイエローの円柱状の塊で、下部の定規により全長約十五センチメートルであることが示されています。強力なレーザー光に耐えうる高い透明度と、実用化に不可欠な巨大サイズを両立した結晶材料です。

図２  TSLAG大型単結晶。大きなファラデー回転角と高い透明性を示すため、高出力レーザー加工機の光源保護に使われる光アイソレーター用として優れた性能を発揮する。

島村 清史（しまむら きよし） / グループリーダー

SHIMAMURA.Kiyoshi@nims.go.jp

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新しい機能性単結晶材料の開発

概要

新しい単結晶材料の設計とバルク単結晶化、それらの評価とデバイス化に関する研究を進めています。レーザー・非線形光学結晶、磁気光学結晶、シンチレーター結晶など光学関連単結晶を中心に、ワイドバンドギャップ半導体や圧電・強誘電体単結晶など、バルク単結晶に関する次世代を担う応用分野全般を対象としています。酸化物からハライド、窒化物まで、様々な材料系にも挑戦し、それぞれに適した結晶成長技術開発も行っています。
大学・研究機関、企業との連携を進めると同時に積極的な国際交流を推し進め、常に新しい観点からの、基礎から実用化まで幅のある研究を目指しています。

特徴
  • 超高融点を持つ材料のバルク単結晶育成
  • フッ化物を中心とするハライドのバルク単結晶育成
  • 従来の特性を超える機能性単結晶材料の設計
  • 光から圧電、半導体まで、幅広く検討
主な研究

従来圧電体と異なり高温で圧電動作し、単結晶育成が困難とされるCTAS単結晶を得た。

高温での圧電動作に有利な、400℃で1011Ω・cmという、LTGAと比較しても高い抵抗率を示す。可視～赤外までの幅広い波長域で高出力全固体レーザー用として有用な単結晶を育成。レーザー加工機やEye-Safeレーザーなど、各種の展開が期待される。

引き上げ法で育成されたCTAS圧電体単結晶。定規の上に置かれた透明な淡黄色の結晶は、左の細い部分から右へ扇状に広がっています。長さは約九十ミリメートル（五十から百四十ミリメートル強の範囲）に達しており、大型の単結晶が安定して育成されている様子を実証する写真です。 高温用圧電単結晶シーティーエーエスと従来材料の電気抵抗率の比較グラフ。四百から千度の温度域で、赤色のシーティーエーエスは従来より高い抵抗率を維持します。四百度では従来比百倍の十の十乗オーム・センチメートル以上の高い絶縁性を保持しており、過酷な高温環境でのセンサ適性を示しています。 希土類を添加したリチウムフッ化物単結晶。定規の前に五つの結晶が並び、添加元素により左から透明、黄色、赤色、淡いピンク、透明へと色が変化しています。左から順にテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、イッテルビウムを添加しており、元素により光学特性を制御できることを示しています。 レーザー用単結晶の比較写真。上は十五センチメートル規模の淡い黄緑色をしたツリウム・ホルミウム添加リチウム・ルテチウム・フルオライド結晶。下は十二センチメートル規模の無色透明なルテチウム・アルミニウム・ガーネット結晶。定規との比較により、高出力レーザーに不可欠な大型かつ高品質な結晶材料であることを示しています。
まとめ

従来を上回る特性を示し、かつ大型結晶育成が可能な材料を考案し、そのバルク単結晶育成と特性の実証を進めている。
こうした基礎研究の継続とデバイス製作、試験を平行して行っていきたい。

中村 優（なかむら まさる）

NAKAMURA.Masaru@nims.go.jp

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優れた硫化物単結晶の探索および結晶育成

概要

硫化物の特徴として、酸化物等に比べて、赤外域まで透過する優れた光学特性がある。そのため、赤外域で用いられる光学デバイス材料として有望である。また、光学用途以外として、熱電材料、太陽電池材料としても、期待されている。さらに、近年は2Dマテリアルとしても、再注目されている。本研究においては、蒸留精製した自家製の高純度硫黄を用いている。
これまでに育成に成功した硫化物単結晶として、SnS、AgBiS2、GeS、GaS等がある。

特徴

硫化物の優れた特性として以下が挙げられる。

  • 波長10µm以上まで透過する優れた赤外域透過特性
  • 無毒で優れた熱電特性
  • 2Dマテリアルとして再注目
主な研究

これまで水平型温度勾配炉内徐冷法によりSnS単結晶、徐冷法によりAgBiS2単結晶、溶融GeSソースを用いた蒸気輸送法によりGeS単結晶、ブリッジマン法によりGaS単結晶を育成した。
GaS単結晶は14µmまで透過域があることが分かり、赤外域の光学材料として用途が考えらる。また、SnS、GeS、GaSは2Dマテリアルでもある。
2D-SnSはPb(Zr, Ti)O3:PZTに匹敵する圧電特性を示すことが理論的に予測されている。実際にSnS単結晶を用いて、2D-SnSの圧電特性についての共同研究を行っている。

二次元状の原子構造を持つゲルマニウム・サルファイド単結晶の写真。銀色の金属光沢を放つ数センチメートル規模の塊で、左は鏡面のように滑らか、右は岩のように粗い質感をしています。この特殊な構造により、次世代電子デバイスへの応用が期待される優れた圧電特性を持つ材料であることを示しています。 ブリッジマン法で育成された高品質な単結晶。滑らかな曲面を持つ弾丸のような形状で、周囲を鏡のように映す強い銀色の金属光沢があります。背景の目盛りから長さは約四センチメートル。極めて高い光沢と均一な外観は、結晶内部の構造が高度に整っており、純度が高いことを示唆しています。 ガリウム・サルファイド単結晶の断面写真。光沢のある黒色の板状の塊で、背景の方眼紙により数センチメートル規模であることがわかります。端は鋭く割れた質感で、表面は周囲が映り込むほど滑らかです。赤外線透過率が高く、次世代の光学素子や電子材料への応用が期待される高品質な材料であることを示しています。 徐冷法で作られた高品質な単結晶の拡大写真。琥珀のような透明感のある黄色い塊で、背景の方眼紙により数センチメートル規模であることがわかります。三角形に尖った形状の中に、精密な温度管理で人工育成された結晶特有の層が見えます。次世代デバイスの基盤となる純度の高い材料であることを示しています。
まとめ

これまで、種々の硫化物単結晶を幾つかの方法により結晶育成を行った。その結果、主に以下の硫化物単結晶を得た。
今後、硫化物固有の優れた特性を活かした硫化物を探索し、その単結晶の育成方法を研究開発する。

  • SnS単結晶（用途：2Dマテリアル、太陽電池）
  • AgBiS2単結晶（用途：熱電素子、太陽電池）
  • GeS単結晶（用途：2Dマテリアル）
  • GaS単結晶（用途：赤外光学素子、2Dマテリアル）

ビジョラ ガルシア（VILLORA Garcia）

VILLORA.Garcia@nims.go.jp

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Crystals for optical isolators and high-brightness white light sources

概要
  • Optical isolators are needed for laser machinery, marking, and high-power LDs.
    New novel Faraday rotators are demanded for higher laser powers and shorter wavelengths.
  • Ceramic powder phosphors are used for white lighting by excitation with blue LEDs/LDs.
    All-inorganic efficient phosphors are needed for high-brightness applications.
特徴
  • Improvement of Tb-garnets for IR Faraday rotators and development of new UV-visible Faraday rotators.
  • Development of new binder-free yellow-green single-crystal phosphors with high conversion efficiency and high thermal stability to realize high-brightness white LEDs/LDs.
主な研究
  • High optical quality fluoride and oxide single-crystals are grown by the Czochralski and Bridgman techniques.
  • Grown crystals and oriented, cut, and polished for characterization in terms of crystalline quality and optical properties.
  • Prototypes are fabricated to analyze the performance of actual devices and to get feedback for further development.
磁気光学材料ティー・エス・エル・エー・ジーの性能比較。波長四百から千百ナノメートルで、新材料（赤線）が従来より高いヴェルデ定数を示すグラフ。右は十五センチメートル規模の透明な薄黄色結晶の写真。この高い磁気光学特性により、光通信装置などの小型化と高性能化が可能になることを示しています。 紫外域用光学アイソレータ材料、フッ化セリウムの特性。左のグラフは、波長三百から八百ナノメートルにおける透過率とヴェルデ定数を示し、三百ナノメートル以下でも従来材料のティージージーより優れた性能を維持しています。右は実物写真で、鉛筆の先と比較した数ミリから一センチ程度の小型部品を提示。 照明用単結晶蛍光体の比較写真。左はオレンジがかった濃い黄色のセリウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット。右は鮮やかな黄緑色のセリウム添加ルテチウム・アルミニウム・ガーネット。定規により十五センチメートル以上の大型結晶であることが示されており、強力な光源に適した高品質な材料です。 単結晶と粉末材料の光変換効率の温度依存性比較。五十度から三百度の範囲で、上部の実線で示された単結晶は二百五十度を超えても高い効率を維持します。一方、下部の点線の粉末材料は百度付近から低下し、二百度で急落します。単結晶が強力な光源に不可欠な優れた熱安定性を持つことを示しています。
まとめ
  • Tb-Sc-garnets are already incorporated into Yb-amplified fiber-lasers by Fujikura Ltd.
  • CeF3 is implemented in commercial UV-VIS optical isolators.
  • SCPs are already utilized in high-brightness light sources, and further expansion is foreseen in the next generations of projectors and headlights.
2025年 現在のメンバー

NIMSジュニア研究員

MOREIRA Joel Noberto（モレイラ ジョエル ノベルト）  MOREIRA.JoelNoberto@nims.go.jp

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 光学材料分野