アルミニウム複合酸化物は発光材料として広く用いられている。その機能性は添加した希土類・遷移金属元素を起源とし、酸化物それ自身は発光性を持たないと考えられている。しかしアルミニウム酸化物は発光材料として高いポテンシャルを有する。即ち、アルミニウム酸化物が大きな電子分極率を持つ事実は、電子状態と光との強い結合を表し、従って高効率な発光材料として有望である。本研究の目的は、申請者らのこれまでの研究成果を発展させ、アルミニウム複合酸化物を用いた原理的に新しい発光材料・レーザー材料を創製することである。

内容・方法

アルミニウム複合酸化物は発光材料・レーザー材料として極めて望である。具体的な内容・方法は以下の通りである。
（1） アルミニウム複合酸化物 LaAlO₃では、導入された　酸素欠損が可視域（緑色）での強い発光を誘起する。本研究ではまずLaAlO₃で見出された発光性がペロブスカイト型アルミニウム複合酸化物に共通した性質であるのか否かを明らかにする。そのため良質な単結晶試料を浮遊帯溶融法で作成し、その発光性を検討する。
（2） アルミニウム複合酸化物では酸素欠損により発光中心が形成され、これが強い緑色発光の起源と考えられる。この発光中心を安定化・制御することにより、発光強度の増強とともに発光波長の制御をも可能となる。研究では、ペロブスカイト型 RAlO₃ において+3価のRイオンサイトの一部を+2価イオンで置換し、発光中心の制御を試みる。
（3） 発光強度・発光寿命などの光学特性を詳しく検討し、アルミニウム複合酸化物の発光起源を解明する。

結果・成果
（1） ぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物 LaAlO₃では、結

へ酸素欠損を導入することにより可視域に線幅の広い強い発光が誘起されることが、我々の研究により明らかになっている。本研究ではまずLaAlO₃と同型のぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物 YAlO₃，NdAlO₃，SmAlO₃ の良質単結晶を浮遊帯溶融法で作成し、その光学的性質を検討した。その結果、酸素欠損による可視域発光が全ての試料において共通に見出され、ぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物では酸素欠損により発光中心が誘起されることが明らかとなった。
（2） ぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物RAlO₃へ導入する酸素欠損量のコントロールを、試料作成中の還元雰囲気ガス制御で行うのは容易でない。そのため+3価のRイオンの一部を+2価のイオンで一部置換することにより酸素欠損の制御を試みた。2価のイオンとして非発光性のアルカリ土類金属（Mg，Ca，Sr）を選び、母体のぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物としてはYAlO₃を選んだ。その結果、+2価のアルカリ土類金属の添加により青緑域に極めて強い発光が誘起されることが見出された。またその発光波長は、添加したアルカリ土類金属の種類には依存しないことも明らかになった。
（3） 青緑域の強い発光中心の起源を明らかにするため、Caを添加したぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物YAlO₃の光吸収特性を詳細に検討した。吸収特性からは、添加したCaによる光吸収に加え、酸素欠損による幅の広い光吸収帯がCaの添加により安定化することが解った。さらに酸素欠損の安定化には、最適なCa添加量があることも解った。
（4） 光吸収特性と発光特性との関係を明らかにするため、詳細な発光励起スペクトル測定と発光時間分解測定を行った。その結果、Ca添加により安定化した酸素欠損に関係した吸収帯を光励起すると青緑域発光が著しく増強すること、さらにその発光寿命も10〜20ナノ秒と比較的短いことが解った。
（5） 以上の結果から、ぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物へのアルカリ土類金属添加により酸素欠損が安定化し、極めて強い発光中心が形成されることがわかった。さらにその発光は光学許容な遷移によるものであることがわかった。以上の点などからペロブスカイト型アルミニウム複合酸化物の酸素欠損により誘起された発光は、新しいタイプの発光中心の形成によるものであることが解った。

今後の展開

本研究により、ぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物では、試料に導入した酸素欠損により強い発光が共通に生じること、さらに価数の異なる非発光性イオンを添加することにより、この発光特性の制御が可能であることが明らかとなった。開発したぺロブスカイト型アルミニウム複合酸化物は効率の良い発光を示すが、実用材料としては性能はまだ不十分である。したがって開発材料の実用化へ向けた研究が今後の課題である。特に重視することは、（1）発光効率の増強、（2）発光寿命の制御、そして（3）レーザー材料としての可能性の探索である。