High transparency of rare earth-doped alpha-SiAlON ceramics and their application to laser materials

本研究は、高い熱的・機械的特性を活かして構造材料として研究開発されてきた酸窒化物であるα―サイアロンセラミックスを対象とし、その中に存在する光の散乱源を限界まで低減することで高透明化を実現すること、希土類添加透明α―サイアロンセラミックスの発光・励起メカニズムを解明すること、および、得られた透明蛍光α―サイアロンセラミックスで世界初となるレーザー発振の可能性を見出すことである。令和４年度は、まず、原料として用いる希土類酸化物に着目し、透明性と蛍光性に及ぼす添加希土類酸化物の影響について検討した。その結果、イオン半径が小さな希土類イオンからなる酸化物、すなわち、Y2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3を添加した場合、高密度かつ高α―サイアロン率のセラミックスを得ることができた。これらのα―サイアロンセラミックスは粒径が微細であり、その結果、低い光散乱に起因して、高い直線透過率を示した。特に、Ho2O3を添加した試料は、最も粒径が小さく、波長600nmで48%と高い直線透過率となった。さらに、これらの透明α―サイアロンセラミックスは、希土類イオン（Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+またはYb2+）に起因した4f-4f遷移、あるいは、4f-5d遷移に対応した蛍光を示すことも明らかにした。一方で、Ho3+イオンを添加した際に最も高い直線透過率となったことから、複数の希土類イオンを同時添加することでも透明性と蛍光性の同時付与が図れるのではないかとの仮説を立てて実験を行った。その結果、CeO2とLu2O3を原料として用いることで、高い透明性とCe3+の4f-5d遷移に起因した発光を有するα―サイアロンセラミックスを得ることができた。特に、希土類酸化物の粒子径を調製することでより高い透明性を有する試料を作製可能であることも見出した。

本研究は、高い熱的・機械的特性を活かして構造材料として研究開発されてきた酸窒化物であるα―サイアロンセラミックスを対象とし、その中に存在する光の散乱源を限界まで低減することで高透明化を実現すること、希土類添加透明α―サイアロンセラミックスの発光・励起メカニズムを解明すること、および、得られた透明蛍光α―サイアロンセラミックスで世界初となるレーザー発振の可能性を見出すことである。令和４年度は、まず、原料として用いる希土類酸化物に着目し、透明性と蛍光性に及ぼす添加希土類酸化物の影響について検討した。その結果、イオン半径が小さな希土類イオンからなる酸化物、すなわち、Y2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3を添加した場合、高密度かつ高α―サイアロン率のセラミックスを得ることができた。これらのα―サイアロンセラミックスは粒径が微細であり、その結果、低い光散乱に起因して、高い直線透過率を示した。特に、Ho2O3を添加した試料は、最も粒径が小さく、波長600nmで48%と高い直線透過率となった。さらに、これらの透明α―サイアロンセラミックスは、希土類イオン（Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+またはYb2+）に起因した4f-4f遷移、あるいは、4f-5d遷移に対応した蛍光を示すことも明らかにした。一方で、Ho3+イオンを添加した際に最も高い直線透過率となったことから、複数の希土類イオンを同時添加することでも透明性と蛍光性の同時付与が図れるのではないかとの仮説を立てて実験を行った。その結果、CeO2とLu2O3を原料として用いることで、高い透明性とCe3+の4f-5d遷移に起因した発光を有するα―サイアロンセラミックスを得ることができた。特に、希土類酸化物の粒子径を調製することでより高い透明性を有する試料を作製可能であることも見出した。