遷移元素ドープ透明結晶化ガラスの光学特性

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本研究では、レーザー材料および太陽光集光素子への利用を目的としてCr^<3+>をドープした透明結晶化ガラスを作製し、その光物性を調べた。具体的な研究成果を以下に要約する。1.64SiO_2・23Ga_2O_3・13Li_2O・0.1Cr_2O_3組成のガラスを作製し、650℃から850℃の各温度で2時間熱処理を行って結晶化を試みた。X線回折測定により、熱処理温度が800℃までの試料では結晶相としてLiGa_5O_8のみが析出し、熱処理温度が850℃になるとLiGa_5O_8とともにLiGaSi_2O_6が析出することがわかった。LiGa_5O_8の平均的な粒径は熱処理温度とともに増加し、800℃で熱処理した試料では粒径は約60Aであった。この試料は光学的に透明であった。結晶化にともない、光吸収スペクトルにおける^4A_2から^4T_2への遷移に相当するピークが短波長側にシフトし、発光スペクトルには717nm付近に^2Eからの遷移に基づく強い発光が見られるようになった。これらの結果は、透明結晶化ガラスでCr^<3+>が結晶相中に取り込まれ、強い配位子場強度が実現していることを示している。2.51SiO_2・18ZnO・18Ga_2O_3・6Na_2O・3TiO_2・4ZrO_2・0.05Cr_2O_3組成のガラスを作製し、ガラス転移温度より約50℃高い680℃で12時間熱処理して核生成を行い、その後800℃で12時間熱処理して試料を作製した。得られた試料は光学的に透明であり、X線回折よりZnGa_2O_4のみの析出が確認された。また、その平均粒径は約100Aであった。LiGa_5O_8:Cr^<3+>と同様、結晶析出にともないCr^<3+>の配位子場強度は増大した。発光スペクトルは鋭いR_1およびR_2線が現れた。これらのピーク位置の温度依存性を、ラマン過程を仮定したデバイモデルにより解析した。解析により得られたデバイ温度は多結晶体のものと比較すると低く、微結晶におけるフォノンのソフト化が認められた。