多結晶光学材料グループ | 電子・光機能材料研究センター

森田 孝治(もりた こうじ) / グループリーダー

MORITA.Koji@nims.go.jp

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複雑系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・安心な社会を支え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的取組が不可欠である。そこで、従来のシンプル組成の材料に加え、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」などの複雑組成系の光学材料開発に向けた研究を、機能性粉末の合成や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に挑戦する。
特に、センシングなどへの応用を見据え、可視域から1000nm超の近赤外までの広帯域において蛍光発光機能や広帯域透過性を持つ複雑組成系の光機能粉末、および多結晶光学材料の合成と、そのバルク化プロセス開発に注力して研究を推進する。

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
• 赤外蛍光体材料とそのバルク化

主な研究

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。

オプトセラミックス分野では、ブレークスルーをもたらす新規材料系の開発に向けた新たな研究領域の開拓が期待されている。近年、複数の元素を高濃度で混合したハイエントロピー化によって新たな機能を持つ材料の探索が注目されている。主に金属材料や構造材料において研究が進み、新しい機能性を持つ材料が次々に報告されているが、近年ではハイエントロピーセラミックスにおいて、光学機能を有する材料の存在が確認されています。我々は、液相合成によって均質かつ微細なハイエントロピー構造の粉末を合成し、これを高圧合成プロセスを用いてバルク化することで、レーザー発振や蛍光発光などの光学機能を備えた複雑組成系広帯域透光性多結晶セラミックスの創製に成功した。

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。

李 継光（りー じーごん）

LI.Jiguang@nims.go.jp

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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

1. 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.
2. 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.

1

2

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.

バジルキフ オレグ（VASYLKIV Oleg）

Oleg.VASYLKIV@nims.go.jp

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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

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.