Development of novel high-refractive-index transparent materials containing Au, Ag, Cu ions

含Au、Ag、Cu离子的新型高折射率透明材料的研制

基本信息

批准号：
17J04683
负责人：
石井暁大
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、次の二点が主な成果である。1) TiO2薄膜の高屈折率化モデルの構築昨年度開発されたAlやMgアクセプターによるTiO2薄膜の高屈折率ルチル相化について、そのメカニズムを電気化学的手法を用いた実験により詳細に考察および調査した。昨年度報告した様に、本材料においては酸素空孔で電荷補償されたAlアクセプターが電子で補償された酸素空孔と会合するとDFT計算から示唆される。実際、ルチル型TiO2薄膜の電気化学的還元電位にAlアクセプターが及ぼす影響を実験的に調査したところ、10 mol%Al添加により還元電位が低下すると判明した。よって、AlアクセプターをTiO2に導入することで欠陥会合が形成され、これがルチル相に類する結晶構造を有するマグネリ相TixO2x-1結晶核となることで、TiO2が高屈折率なルチル相となったと考えられた。2) GaPxN1-xの作製とその光学特性の評価GaNとGaPの固溶体GaPxN1-xではxが0.4以上の場合に既存材料より高屈折率な新奇透明材料になる可能性が示された。そこで、この材料を自作したイオンビームアシストPLD装置を用いて作製しその光学特性を調査した。GaNとGaPは熱力学的にはppmオーダーしか固溶せず、作製条件を最適化し光学的に均質な固溶体GaPxN1-x をxが0.2-0.8の広い組成範囲で実現することに成功した。As-depo.状態の試料はTiO2やGaP、GaNよりナローギャップ方向にプロットされる光学特性を示した。これは試料が非晶質であることが一因であると考え、これら試料を窒素雰囲気で熱処理し結晶性の向上を図った。すると試料が一部リン酸塩化したため低屈折率およびワイドギャップ化した。成膜温度や基板、後熱処理条件を工夫し、結晶性が向上されたGaPxN1-xが得られれば高屈折率かつ透明な光学特性が得られると期待される。

今年的主要成绩有以下两点。 1）建立提高TiO2薄膜折射率的模型通过电化学方法的实验，对去年开发的Al和Mg受体形成TiO2薄膜高折射率金红石相的机理进行了详细的检验和研究。正如去年报道的那样，DFT 计算表明，在这种材料中，用氧空位进行电荷补偿的 Al 受体与用电子进行补偿的氧空位相关联。事实上，当我们通过实验研究Al受体对金红石型TiO2薄膜电化学还原电位的影响时，我们发现添加10 mol%的Al会降低还原电位。因此，我们认为，通过在TiO2中引入Al受体，形成缺陷缔合，成为Magnelli相TixO2x-1的晶核，其晶体结构与金红石相相似，导致TiO2成为具有金红石相的金红石相。高折射率就完成了。 2）GaPxN1-x的制备及其光学性能评价GaPxN1-x是GaN和GaP的固溶体，当x为0.4或更大时，有可能成为一种折射率比现有材料更高的新型透明材料。因此，我们使用自制的离子束辅助PLD装置制备了这种材料并研究了其光学性能。从热力学角度来看，GaN 和 GaP 仅在 ppm 量级上形成固溶体，通过优化制造条件，我们成功地在 x 为 0.2-0.8 的宽组成范围内创建了光学均质固溶体 GaPxN1-x。 as-depo 样品显示出比 TiO2、GaP 和 GaN 更窄的间隙方向的光学特性。我们认为，这部分是由于样品是非晶态的，因此我们在氮气气氛中对这些样品进行热处理以提高其结晶度。结果，样品被部分磷酸化，导致折射率低和间隙宽。如果可以通过改变沉积温度、衬底和后热处理条件来获得结晶度提高的GaPxN1-x，则有望获得高折射率和透明的光学性能。