光学単結晶グループ | 電子・光機能材料研究センター

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
• 水熱合成法によるバルク単結晶育成など、新しい結晶成長技術の開発

主な研究

• （左）直径2インチ・コアフリーY₃Al₅O₁₂（YAG）単結晶。コアが無く、均質性の高い単結晶であり、高出力レーザーやレンズなどに有用。
• （右上）直径3インチTm,Ho:LiYF₄単結晶。Eye-Safeレーザー用として有用。
• （右下）高温で圧電体として動作するCa₃TaAl₃Si₂O₁₄（CTAS）単結晶。400℃で10¹¹ Ω·cmという、LTGAと比較しても高い抵抗率を示す。

青色LEDによる超高輝度白色照明用の単結晶蛍光体。（左）Ce:Y₃Al₅O₁₂（YAG）、（右） Ce:Lu₃Al₅O₁₂（LuAG）の各単結晶蛍光体。通常のセラミックス粉末蛍光体と比べ、内部量子効率が高くそれが高温でも維持され、高強度の青色を照射しても温度が上がりにくい。そのため白色LEDの発光強度が、従来のものより圧倒的に高い。

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マテレアルとしても、再注目されている。

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、HT-GeS₂単結晶を育成した。
GaS単結晶は14µmまで、HT-GeS₂単結晶は22.5µm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、HT-GeS₂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。

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。今後も、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）
• HT-GeS₂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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novel functional optical crystals

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.
• Environmentally friendly, high-energy X-ray and compact, high-performance neutron scintillator single crystals are needed to realize a safe and secure society.

特徴

• Improvement of Tb-garnets for IR Faraday rotators and development of new UV-visible Faraday rotators.
• Materials with high light yield, stable without deliquescence, and capable of large single-crystal growth. Furthermore, development of materials possessing the specific properties required for X-ray and neutron applications.
• Development of novel crystal growth techniques, such as bulk single-crystal growth by hydrothermal synthesis.

主な研究

• (Top) 2-inch diameter Tb₃(Sc,Lu)₂Al₃O₁₂ (TSLAG) single crystal. As a Faraday rotator for laser processing machines, it excels in quality, cost, and performance.
• (Lower left) CeF₃ single crystal Faraday rotator, useful from near-ultraviolet to visible wavelengths.
• (Lower right) CeF₃, PrF₃, and LiREF₄ (RE = Tb, Dy, Ho, Er, Yb) single crystals. Useful as Faraday rotators and laser crystals, covering deep ultraviolet to visible wavelengths.

• (Top) Tb:YTaO₄ (YTO) single crystal grown by the FZ method. Useful as an X-ray scintillator. It is high density, exhibits higher light yield than CdWO₄ single crystals, and is Cd-free, making it environmentally friendly.
• (Lower left) Ce:Li₆Y(BO₃)₃ single crystal, useful as a neutron scintillator. It surpasses Li glass in Li concentration, luminescence, lifetime, and productivity.
• (Lower right) Ce:Lu₁.₈Y₀.₂SiO₅ (LYSO) single crystal grown by hydrothermal synthesis. Compared to crystals grown by the Czochralski method, it features lower defect levels and exclusive Ce³⁺ valency, which is expected to enhance luminescence.

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.
• To realize a safe and secure society, we will accelerate the development of scintillator single crystals, aiming for larger size and higher quality.
• Advancement of single-crystal growth technology by the hydrothermal technique.