研究内容

光エネルギー変換材料や、光情報処理の基幹を担う次世代光ネットワーク基材となる光スイッチング・デバイス実現のためには、屈折率が高く、大きな３次非線形光学特性を有する材料や高効率に蛍光を発する材料の開発が不可欠である。本研究では、テルライト(TeO2)を主成分とする新しい機能性ガラスの開発を行っている。

・高屈折率でかつ、高い３次非線形光学特性を有するテルライト系ガラスの開発

“テルライトガラスは、広い光学窓、低い融点、高屈折率、高非線形光学特性の特徴を持ち、フォトニクスデバイスの材料として多くの注目を集めている。我々はTeO2-ZnO-Na2O、TeO2-Ag2O組成のガラスに注目し、その光学特性評価（ラマン、PL/PLE、Judd-Ofeltなども含む）を確立することで、新たなデバイスへの展開が可能となる素材を開発している。例えば、レーザー等で発光中心として用いられるNd3+イオンを添加したテルライトガラス(TeO2-ZnO-Na2O(TZN))を作製し、イオン結合性の高いNa2O成分と共有結合性の高いZnO成分の比率を変えた時のガラス構造とNd3+発光特性を調査している。また、非線形光学特性の向上のためにAg2Oを添加することを提案している。フランスとのIRP共同研究ではAl成分に注目し、光学特性の向上とその構造論的役割を学術的な調査・検討している。”

“Tellurite glasses have received much attention for many years owing to their prominent properties of high refractive index, high solubility of rare-earth and transition metal ions, and extremely high third-order nonlinear optical susceptibility, chi(3), together with good chemical stability. Because of these features, tellurite-based glasses have a great potential for applications to laser, optical switching and wavelength converters for Si-solar cells, which is expected to be extensively developed as crucial devices to construct next-generation energy saving and optical network systems. In practice cases, metal oxides of alkaline oxide, alkaline earth oxides and transition-metal oxides are added to improve their glass formability. Our recent works have been concentrated to TeO2-ZnO-Na2O and TeO2-Ag2O glasses.”

  　組成：TeO2-Tl2O-Bi2O3(TiO2), TeO2-Nb2O5-ZnO , TeO2-ZnO-Na2O, TeO2-Ag2O, 他

・波長変換機能を有する希土類蛍光材料の開発

　  Tm3+(Er3+)/Yb3+アップコンバージョン青色(緑色)蛍光体、

　  Tb3+/Yb3+近赤外ダウンコンバージョン蛍光体

TeO2材料の特異なTeO4およびTeO3多面体構造をガラス状態で制御し、透明でかつ安定な、光スイッチングデバイス、光アンプや赤外－可視変換などのアクティブ材料を開発している。

学会発表リスト(2023-2024), 2025年度発表も計画中。発表論文は研究業績のページをご参照ください。
2023-01 〇T.Hayakawa, K.Hashimoto, K.Ohwaki, J.de Clermont-Gallerande, K.Kimura, K.Hayashi, M.Colas, J.-R.Duclere, P.Thomas
“ High rare-earth-transition-metal doping effects and structures of tellurite-based glasses for optical applications. ”,
9th International Workshop on Advanced Ceramics (IWAC09), Limoges, France, September 26-29, 2023. oral
2023-02 〇大橋 潤, 早川 知克, Solal Le Masson, Maggy Colas, Philippe Thomas,
“ Nd3+を添加した TeO2-ZnO-Na2Oガラスの構造・機械特性と光学特性評価. ”,
日本セラミックス協会第36回秋季シンポジウム、3T17、京都工芸繊維大学、9月6-8日 (2023). 口頭発表
2023-03 〇K. Maine, J.Cornette, D.Hamani, H.Miyazaki, P.Thomas, T.Hayakawa, D. de Ligny,
“ New tellurite glasses synthesized from oxide and nitride compounds. ”,
9th International Workshop on Advanced Ceramics (IWAC09), Limoges, France, September 26-29, 2023. Poster
2023-04 〇K.Hashimoto, T.Hayakawa, M.Colas, P.Thomas
“Synthesis and infrared optical characterizations of Tb3+/Yb3+co-doped TeO2-ZnO-Na2O glasses with wavelength conversion properties.”,
MRM2023/IUMRS-ICA2023, F3-O402-03, Kyoto, December 11-16 (2023). oral
2023-05 〇M.Kobayashi, J.Cornette, D.Hamani, H. Miyazaki, P.Thomas, T.Hayakawa,
“Elaboration of new alumino-tellurite glasses.”,
CERMAC IRP closure meeting, “Ceramic materials for societal challenges”, CEC room TD5, September 25th, 2023. oral
2024-01 〇橋本 航季, 岡 亮平, 早川 知克, Gregoire Douere, Maggy Colas, Philippe Thomas,
“高濃度Tb3+/Yb3+共添加TeO2-ZnO-Na2Oガラスの近赤外蛍光特性とAl2O3添加効果.”,
第65回ガラスおよびフォトニクス材料討論会、2A11、福岡、11月8日 (2024). oral
2024-02 〇橋本 航季, 岡 亮平, 早川 知克, Gregoire Douere・Maggy Colas・Philippe Thomas,
“高濃度Tb3+/Yb3+共添加TeO2-ZnO-Na2OガラスにおけるAl2O3の効果.”,
第55回中部化学関係学協会支部連合秋季大会（中化連）、2C106、名古屋、11月2-3日 (2024). oral
2024-03 〇中出葵, 松岳航世, 岡亮平, 早川知克, Maggy Colas, Philippe Thomas,
“高純度アルミナ坩堝を用いた高透光性TeO2-ZnO-Na2Oガラスの作製と特性評価.”,
2024年度日本セラミックス協会東海支部学術講演会、 F14, 名古屋, 12月7日 (2024). oral

　近年の半導体産業の進展により、青色から近紫外へとLight Emitting Diode(LED)およびLaser Diode(LD)の波長が短波長化するなか、これらを励起光源とする新しい照明および表示デバイスの開発が進められるようになってきた。我々はゾルゲル法で作製されるSnO2-SiO2:Eu3+ガラスが近紫外光励起で高効率に赤色発光することを見出し、それがガラス中に分散したSnO2半導体ナノ結晶からEu3+イオンへのエネルギー移動により達成されていることを明らかにした（Sci.Tech.Adv.Mater., 2005年）。また、Cd, Hg, Sなどを全く含まないAl2O3-SiO2白色蛍光ガラスの開発にも成功しており（Appl.Phys.Lett., 2003年）、近紫外LEDと組み合わせた照明器具の試作にも着手している。このように、今後懸念される有害金属による環境汚染やエネルギー問題を、材料工学の観点から貢献しうる新しい分野の研究を行っている。

希土類イオン（Tb3+やEu2+）を高濃度に含有する、可視領域（400~800nm）で透明な“磁性酸化物ガラス”の合成プロセスおよび磁気光学特性（ファラデー回転効果）について調べている。これにはGaN系青色半導体レーザの急速な進歩や緑色プラスチックファイバイー通信の利用拡大が背景にあり、光資源の有効活用の理念をもとにこれからますます重要となってくるであろう。その目標を達成するために、可視波長域で透明で、大きなファラデー回転を示す光アイソレータが必要である。大きなファラデー回転特性を得るにはガラス中に含まれる希土類イオン濃度を増やすことが有効であるが、希土類イオンを高濃度に含むガラスは結晶化しやすく（失透現象）、簡単なことではない。我々は、これまで40mol%まで希土類酸化物を透明なガラス状態で含有させることに成功しており、これらのガラスについて５０Ｋ以下の低温で磁気クラスターが形成され、それに伴いファラデー回転特性が急激に変化することを報告している。（Chem.Mater., 2002年）。現在研究している新しいガラス系は、Tb2O3-B2O3-Ga2O3-SiO2, EuO-Al2O3-SiO2などであり、これまでにない透明で磁石にくっつく酸化物ガラスの開発を進めている（J.Ceram.Soc.Japn, 2007年）。

金ナノ粒子(GNP；球形、ナノロッド、セラミックス被覆..)表面に励起される表面プラズモン共鳴(SPR)を利用した光学デバイスの実用化が進んでいる．我々は，金ナノ粒子をシリカガラス層で薄くコーティングする技術を開発し、化学的に処理されたガラス基板上に自己組織化させることに成功した。シリカ層の厚さはナノオーダーでコントロールすることができ、これを量子力学的トンネル障壁とすることで、室温での単電子トランジスタ動作を発現させることもできる。また、基板上での微粒子の凝集ドメインサイズの制御から、さまざまな二次元配列パターンを作ると共に入射光周波数の二倍波変換に成功した（Adv.Mater., 2004年）。近年の取り組みでは、チタニア層で金ナノ粒子をコーティングする独自の手法を開発し、その光触媒作用を報告した（Chem.Lett., 2006年）。

また、陽イオン界面活性剤を用いてGNPを溶液中で連結する方法を開発し，連結したGNPがGNP単体とは異なった光学特性を示すこと、また，連結GNPをシリカ被覆することで，その後の連結状態を調整できることを見出し、シリカ被覆した連結GNPの自己組織化膜について，Z-scan法による3次光学非線形感受率を報告した（J.Phys.Chem.C, 2008年）。

これらの機能は光波長変換、光スイッチング、光触媒、バイオセンサーなどへの応用が期待されている。