配位子場エンジニアリングによる広帯域高効率アップコンバージョン蛍光体の創製

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本研究では，結晶シリコンが吸収できない近赤外光(> 1150nm)の有効利用によって太陽光発電を高効率化させることを目指して，Ni2+-Er3+イオン間エネルギー移動を利用した高効率近赤外アップコンバージョン発光を実現する光機能材料を，カチオン・アニオン置換に基づく配位子エンジニアリングの観点から創製することを目的としている。このアップコンバージョン発光プロセスは非常に複雑であるため，1. 近赤外光吸収過程(Ni2+)，2. アップコンバージョン発光過程(Er3+)，3. ドナー・アクセプター間エネルギー過程(Ni2+-Er3+) の3段階に分けて，段階的にそれぞれの蛍光体材料の光物性を評価して研究を進めている。2022年度は，第一段階目の過程であるNi2+の近赤外吸収過程に焦点を当て，Ni2+添加ダブルペロブスカイト蛍光体を固相反応法によって合成し，その光物性および局所構造を分光実験と理論計算の両方の観点から評価した。合成した蛍光体は太陽光スペクトルと合致する1150~1400 nmの近赤外域に，Ni2+のd-d遷移に帰属される広帯域吸収を示した。化合物組成中のアルカリ土類金属組成比を変えることにより，吸収波長を最大40 nmシフトさせて制御可能であることを示した。第一原理量子化学電子状態計算によって光吸収特性に影響を与えるNi2+のエネルギー準位をシミュレーションしたところ，Ni2+周りの結合長の減少と局所対称性がそれぞれ駆動力となって励起準位の高エネルギーシフトが起こることが明らかとなった。本成果は，研究計画における近赤外アップコンバージョンの第2,3段階目の過程の高効率化に向けた材料設計指針となるのと同時に，近赤外活性中心イオンとして有望なNi2+を添加した蛍光体の，非経験的なエネルギー準位推定に基づく材料探索の実現可能性を示唆するものである。