焼結合成による新規赤外光増幅器用材料の創製と第一原理計算による電子状態の解析

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本課題では、Erを含む酸化物を焼結合成により作製し、1550nm帯のフォトルミネッセンスを測定し評価を行った。特に、光増幅器の開発が遅れているUバンド域と呼ばれる波長帯の発光のスペクトル形状に注目した。また、第一原理計算により、構造に基づいて多重項エネルギー準位を計算し、その傾向を調べた。Erが酸素8配位と6配位をとる試料を作製した。Erとのイオン半径の違いが小さく、価数が同じYを含む酸化物を主に選択することにより、添加したErが目的の配位数を持った試料を作製できるようにした。8配位にはガーネット構造、パイロクロア構造、蛍石構造、シーライト構造、6配位にはC-希土構造、スピネル構造の酸化物を選択した。各試料のPLスペクトルをErに配位する酸素の数により整理した。Erの配位数によりスペクトルの形状におおよその特徴があらわれ、酸素8配位の試料は発光が4つの領域にわかれ、酸素6配位の試料は1500nm付近の発光が最も強くなるという特徴を示した。しかし、Uバンドの発光との明らかな相関はみられなかった。結晶場と多重項の分裂について、Er-O間の距離という点から整理した。同じ結晶構造・空間群を持つ試料は、スペクトル形状は類似したものとなったが、格子定数の小さな試料ほど長波長側の発光はより長波長側に、短波長側の発光はより短波長側にシフトした。Er-Oの距離の違いで結晶場が変化することで、準位の分裂の大きさが変わったためであると考えられ、Er-O間距離を調整することでUバンド付近の発光波長を移動できることがわかった。また、Erに配位している酸素の角度についても整理した。さらに第3元素の添加、ホストの固溶体を作ることでUバンド域のスペクトルのブロード化にも成功した。また、多重項の計算より、配位数の違いによるエネルギー分裂の幅に傾向がみられる結果が得られた。