説明

酸化亜鉛系発光材料及びその製造方法

【課題】特定波長の光を発光可能な酸化亜鉛系発光材料において発光強度のさらなる増大を図る。
【解決手段】酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種とアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種とが添加された酸化亜鉛系発光材料であって、前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲であることを特徴とする。希土類元素の種類に応じて所定の波長帯で発光する光の発光強度のさらなる増大を図ることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は酸化亜鉛系発光材料及びその製造方法に関し、特に酸化亜鉛(ZnO)に希土類元素が添加された発光材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から紫外線、電子線もしくは電界による励起で可視光を放射する発光材料が多く開発されている。これら発光材料を用いて、ブラウン管(CRT)や蛍光ランプ、近年ではフラットパネルディスプレイとして有望なEL素子や小型で高い輝度の特長をもつ蛍光表示管(VFD)の開発が盛んに行われている。近年では、マルチカラ−(RGB)の発光を示す発光材料の開発が盛んに行われており、ZnOを母材とした発光材料が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この発光材料は、酸化亜鉛(ZnO)に、希土類元素の一種と、酸化亜鉛中でプラス1価のイオンとなる1A族元素のうちの一種よりなる電荷補償材とを、希土類元素の添加濃度が0.1〜5モル%となるように混合し、不活性雰囲気中で熱処理してなるものである。なお、電荷補償材の添加は、希土類元素を発光に寄与する3価イオンにイオン化させるとともに、結晶全体の電荷的中性を保つ(チャージバランス)ためであり、3価イオンの希土類元素と1価イオンの1A族元素を等モルとしている。この発光材料では、添加された希土類元素の種類に応じて、赤・緑・青・黄・白色の発光特性を示す。
【0004】
ところで、発光材料においては、特定波長の光を発光可能で、しかもその発光強度を高くすることが求められる場合がある。
【0005】
例えば、光通信に使われている石英系ファイバーにおいては、1.5μm帯の波長をもつ光は損失が最小である。このため、1.5μm帯又はその近傍の波長の光を発光可能な発光材料であって、発光強度として例えばPL(フォトルミネッセンス)強度の高いものであれば、石英系ファイバー用の発光デバイスへの応用が期待できる。
【0006】
このような発光材料として、ZnOに希土類元素としてのエルビウム(Er)をドープした酸化亜鉛系発光材料が近年注目されている。そして、このErをドープしたZnOに対して窒素イオンを注入後に焼鈍して、酸素イオンの一部を窒素イオンで置換することにより、1.5μm帯のPL強度を注入前の約5倍に増加させることができることも知られている(例えば、非特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】特開平8−236275号公報
【非特許文献1】第4回公開シンポジウム講演要旨集、2004年3月9日、「軽元素修飾による局在量子構造と材料設計」、名古屋大学工学研究科、森永正彦、吉野正人、周震
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、上記従来の酸化亜鉛系発光材料、すなわちErをドープしたZnOにおいて酸素イオンの一部を窒素イオンで置換した発光材料であっても、その発光強度は必ずしも充分とはいえず、さらなる発光強度の増大が求められているのが実情である。
【0009】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、特定波長の光を発光可能な酸化亜鉛系発光材料において発光強度のさらなる増大を図ることを決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決する本発明の酸化亜鉛系発光材料は、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種とアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種とが添加された酸化亜鉛系発光材料であって、前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲であることを特徴とするものである。このように酸化亜鉛系発光材料において、酸化亜鉛に対して希土類元素及びアルカリ金属元素の添加濃度のモル比を最適な範囲にすることにより、発光強度を向上することができる。
【0011】
好適な態様において、前記希土類元素は、エルビウム(Er)及びツリウム(Tm)から選ばれる一種である。
【0012】
本発明に係る酸化亜鉛系発光材料は、好適な態様において、以下に示す所定条件下で、液体窒素で冷却したGe−pinフォトダイオード(Applied Detector Corporation社製、商品名「403L」)で試料の発光を検出することにより測定したPL強度の増加率が50倍以上である。
【0013】
分光器:SPEX 1702104 Spectrometer(SPEX社製)
測定温度:25℃
励起源:ビーム径1mm、入射パワー5mWのHe−Cdレーザー(波長325nm)
ここに、前記PL強度の増加率とは、後述する実施例及び比較例で示すように、上記した所定条件で、酸化亜鉛に希土類元素を添加したのみの試料と、酸化亜鉛に希土類元素及びアルカリ金属を添加した試料とについて、所定の波長帯のPL強度を測定し、下記(1)式により求めたものである。
【0014】
(PL強度の増加率)=(酸化亜鉛に希土類元素及びアルカリ金属を添加した試料についてのPL強度のピーク値)/(酸化亜鉛に希土類元素を添加したのみの試料についてのPL強度のピーク値)
…(1)
上記課題を解決する本発明の酸化亜鉛系発光材料の製造方法は、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種及びアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種を添加する工程を備え、前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲とすることを特徴とするものである。
【0015】
好適な態様において、前記希土類元素は、エルビウム(Er)及びツリウム(Tm)から選ばれる一種である。
【発明の効果】
【0016】
上述の通り、本発明の酸化亜鉛系発光材料は、発光強度の向上した発光材料を提供できる。
また、本発明の酸化亜鉛系発光材料の製造方法により、発光強度の向上した発光材料を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明の酸化亜鉛系発光材料は、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種とアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種とが添加された酸化亜鉛系発光材料であって、前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲のものである。
【0018】
この酸化亜鉛系発光材料は、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種及びアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種を添加する工程を備え、前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲とする本発明の酸化亜鉛系発光材料の製造方法により、得ることができる。
【0019】
このような本発明に係る酸化亜鉛系発光材料では、マトリックスとしての酸化亜鉛(ZnO)がホスト材料として光を吸収する一方、希土類元素とその周りに配位した酸素(O)及びアルカリ金属元素とからなるナノクラスターが発光中心となって、希土類元素の種類に応じた所定波長の光を発光する。
【0020】
上記希土類元素の種類としては特に限定されず、発光させたい光の波長に応じて種々の希土類元素を選択することができる。例えば、希土類元素としてエルビウム(Er)を選択した場合は、1.5μm帯の波長を有する光を発光する発光材料とすることができるので、前述のとおり石英系ファイバー用の発光デバイスへの応用が期待でき、好ましい。同様に、希土類元素としてツリウム(Tm)を選択した場合は、1.4μm帯の波長を有する光を発光する発光材料とすることができるので、石英系ファイバー用の発光デバイスへの応用が期待でき、好ましい。
【0021】
また、酸化亜鉛系発光材料中の上記希土類元素の添加量(希土類元素/亜鉛元素)は、発光強度の増大効果に影響するため、発光強度を十分に増大させることができるように、1.5〜4.0モル%、好ましくは2.0〜3.5モル%程度とする。
【0022】
そして、本発明に係る酸化亜鉛系発光材料では、所定の添加濃度でアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種が添加されることにより、希土類元素の種類に応じて所定の波長帯で発光する光の発光強度のさらなる増大を図ることができる。
【0023】
例えば、後述する実施例で示すように、希土類元素とアルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲で添加することにより、酸化亜鉛に希土類元素を添加したのみの場合と比較して、発光強度としてのPL強度を増加させることができる。アルカリ金属元素を添加した場合、希土類元素との親和力が適度にあり、発光中心のナノクラスター構造を変えうる元素であるため、窒素(N)と同様の効果が期待できると考えられる。実際、吸収スペクトルの実験では、アルカリ金属元素を適量添加することにより、1.5μm帯及び可視光波長領域の吸収が大きくなる。アルカリ金属元素としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)及びカリウム(K)から選ばれる少なくとも一種が好ましく、特にリチウムが好ましい。しかしながら、他の金属、例えば1B族元素である銅(Cu)、3B族元素であるアルミニウム(Al)、7A族元素であるマンガン(Mn)、8族元素であるコバルト(Co)及び希土類元素であるツリウム(Tm)を添加して置換しても、そのような傾向はほとんど認められない。このように、ナトリウム(Na)及びカリウム(K)はリチウム(Li)と同様の変化を示すので、発光スペクトルでも同様な現象が現れると考えられる。さらに、希土類元素がエルビウムの場合、エルビウム:リチウムでは1:1.5から1:3、エルビウム:ナトリウムでは1:3から1:5、エルビウム:カリウムでは1:2から1:5が好ましい。 このように所定の添加濃度のモル比で希土類元素とアルカリ金属元素とを添加することにより、発光強度を効果的に増大させることができる理由は、以下のように考えられる。すなわち、所定濃度で合成した酸化亜鉛系発光材料では、酸化亜鉛、希土類元素及びアルカリ金属元素が所定の添加濃度のモル比になることにより、発光中心となるナノクラスターの局所配列や化学結合状態が変化しており、そのことが発光強度の増大につながっているものと考えられる。例えば、希土類元素としてエルビウム(Er)を採用した場合は、このエルビウム(Er)とその周りに配位した6個の酸素(O)よりなるナノクラスター(ErO 八面体)が発光中心となって発光するが、アルカリ金属元素は希土類元素としてのエルビウム(Er)等の近傍に存在して、ErO 八面体のErOイオン間距離を変え、同時に八面体クラスターの対称性を低下させることにより、上記ナノクラスターの化学結合状態を変えるために、発光強度が増大するものと考えられる。この外、3価の希土類元素が、1価のアルカリ金属元素と電荷補償する結果、欠陥構造を変えることも考えられるが、それのみでは希土類元素とアルカリ金属元素の添加濃度のモル比が1:1となるので、上記の添加濃度のモル比の最適範囲を説明できない。
【0024】
希土類元素とアルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲から外れると、この酸化亜鉛系発光材料から発光する光の発光強度を効果的に増大させることができない。すなわち、希土類元素とアルカリ金属元素との添加濃度のモル比が1:1.5よりアルカリ金属元素が少ないと、発光中心となるナノクラスターの局所構造、対称性および化学結合状態の変化が不十分となり、十分に発光強度を増大させることができない。より具体的には、希土類元素とアルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1、すなわち等モルとすると、十分に発光強度を増大させることができない。一方、希土類元素とアルカリ金属元素との添加濃度のモル比が1:5よりアルカリ金属元素が多いと、発光中心となるナノクラスターの近傍に過大な量のアルカリ金属が集まるので、局所構造や局所化学結合状態が大きく変わり、希土類元素の多重項エネルギ準位が大幅に変化しすぎるため、十分に発光強度を増大させることができない。
【0025】
ここに、前記添加工程では、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種を添加するとともに、アルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種を添加して、希土類元素とアルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲とする。
【0026】
この添加工程では、通常、亜鉛含有化合物、希土類元素含有化合物及びアルカリ金属元素含有化合物を溶媒存在下に混合し、乾燥して金属酸化物混合粉末を得た後、焼結して酸化物とする。亜鉛含有化合物、希土類元素含有化合物及びアルカリ金属元素含有化合物としては加熱分解して酸化物になるものであれば特に限定されないが、亜鉛含有化合物としては、酢酸亜鉛、シュウ酸亜鉛、硝酸亜鉛等、希土類元素含有化合物としては、硝酸エルビウム、硝酸ツリウム等、アルカリ金属元素含有化合物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム等を用いることが出来る。
金属酸化物混合粉末を焼結する際には、通常、酸素含有雰囲気で加熱する。酸素含有雰囲気としては、空気(大気)雰囲気とすることが好ましい。焼結条件は、600〜1400℃の温度範囲で行うことが好ましい。
【実施例】
【0027】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【0028】
(実施例1)
本実施例の酸化亜鉛系発光材料は、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素としてのエルビウム(Er)及びアルカリ金属元素としてリチウム(Li)とが所定の添加濃度のモル比で添加されたものである。
【0029】
この酸化亜鉛系発光材料の製造方法について、以下説明する。
【0030】
<添加工程>
酢酸亜鉛(Zn(CHCOO))水溶液とシュウ酸(H)水溶液を70℃で攪拌・混合し、シュウ酸亜鉛(ZnC)沈殿物を作製した。その後、吸引ろ過、乾燥を行うことでシュウ酸亜鉛粉末(ZnC・2HO) を得た。Erを添加するため、そのシュウ酸亜鉛粉末に硝酸エルビウム(Er(NO)・5H2O)アルコール溶液を混ぜ合わせた。
次に、水酸化リチウム(LiOH・HO)エタノール溶液を、前記硝酸エルビウム(Er(NO)・5H2O)アルコール溶液に混ぜ合わせた。
また、Er添加量(Er/Zn)は3.0モル%とした。Liは5.6 モル%(Er:Li=1:1.87)とした。
先に作製した粉末を50℃で1時間の乾燥、500℃で2時間の熱分解を行い、Er、Li共添加ZnO粉末を作製した。
【0031】
得られたEr、Li共添加ZnO粉末から機械圧粉工程、静水圧圧粉工程を経て直径10mm、厚さ2mmの円板状成形体とした。そして、この成形体を所定の焼結条件(1000℃×2時間の条件で加熱後、2時間かけて1350℃まで昇温し、この1350℃×3時間の条件で加熱した後、空冷する条件)で焼結して、Er、Li共添加ZnO焼結体(試料Bとする。)とした。
(比較例1)
前記添加工程において、酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素としてのエルビウム(Er)を添加したのみで、アルカリ金属元素を添加しなかったEr添加ZnO粉末を得ること以外は、前記実施例1と同様にして、試料Aを得た。
(実施例2)
共添加する金属をLiの代わりにナトリウム(Na)とするため、水酸化リチウム(LiOH・HO)の代わりに水酸化ナトリウム(NaOH)を用いた以外は、実施例1と同様に共添加粉末を得て、焼結体(試料Cとする。)を作成した。
Er添加量(Er/Zn)は3.0モル%とした。Naは12.0モル%(Er:Na=1:4)とした。
(実施例3)
共添加する金属をLiの代わりにカリウム(K)とするため、水酸化リチウム(LiOH・HO)の代わりに水酸化カリウム(KOH)を用いた以外は、実施例1と同様に共添加粉末を得て、焼結体(試料Dとする。)を作成した。
【0032】
Er添加量(Er/Zn)は3.0モル%とした。Kは11.4モル%(Er:Na=1:3.8)とした。
【0033】
実施例1〜3及び比較例1で得られた前記試料B、C、D及びAについて、分光器:SPEX 1702104 Spectrometer(SPEX社製)を用いて、室温(25℃)で、1.5μm帯のPL強度を測定した。その結果を図1に示す。
【0034】
なお、このPL強度の測定は、励起源として、ビーム径:1mm、入射パワー:5mWのHe−Cdレーザー(波長325nm)を使用し、液体窒素で冷却したGe−pinフォトダイオード(Applied Detector Corporation社製、商品名「403L」)で試料の発光を検出することにより行った。
【0035】
また、図1において、縦軸は任意単位でのPL強度(arbitrary unit)を示す。すなわち、前記の測定システムにより発光強度を検出したとき、相対的な強度の違いは分かるが、強度の絶対値については不明である。
【0036】
図1より、実施例1により得られた試料Bから発光する光のスペクトル(図1のB曲線)は、比較例1の試料Aから発光する光のスペクトル(図1のA曲線)と比べて、PL強度が約90倍も高いことがわかる。また、実施例2の試料C、実施例3の試料Dについても、比較例1の試料Aと比べて、それぞれPL強度が約38倍、約9倍も高いことがわかる。
また、図2において、縦軸は任意単位でのPL強度(arbitrary unit)を示し、A曲線のスケールはB曲線の10倍に拡大している。図2より、希土類元素及びアルカリ金属の所定の添加濃度のモル比による添加により、ピーク値も1.534μmから1.539μmにシフトしていることがわかる。このシフトは、エルビウム(Er)の周りにアルカリ金属が配位したことによるものと理解される。
(比較例2)
共添加するLiの添加量を、1モル%とした以外は、実施例1と同様にしたが、発光強度はさほど向上しなかった。
(比較例3〜7)
アルカリ金属の代わりに、Al、Co、Mn、Cu、Tmは、それぞれ1000ppmとした以外は、実施例1と同様にしたが、発光強度は向上せず、むしろ低下した。これらの金属元素(M)はすべてErとの相互作用が強く、状態図に依れば、化合物ErxMyを作る傾向がある元素である。この結果、発光中心である八面体クラスターが形成できないため発光しなくなる。この中で、Cuはアルカリ金属と同じ1価の金属であるが、この理由により添加元素としては好ましくない。
【0037】
(適用例)
本発明に係る酸化亜鉛系発光材料は、前述した実施例で示すように、PL(フォトルミネッセンス)により発光するものであり、石英系等のファイバー用の発光デバイスやキャリア注入のための電極材料への応用が期待できる。また、ZnOマトリックスへのEr等の希土類元素のドープによりn型半導体が作られると考えられることから、ZnOマトリックスへの希土類元素およびアルカリ金属元素を所定の添加濃度のモル比での導入によりp型半導体を作ることができれば、pn接合を作ることが可能となり、EL(エレクトロルミネッセンス)素子への応用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】実施例1〜3及び比較例1で得られた試料B、C、D及びAについて、室温で、1.5μm帯のPL強度を測定した結果を示す図である。
【図2】実施例1及び比較例1で得られた試料B、Aについて、室温で、1.5μm帯のPL強度を測定した結果を示す図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種とアルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種とが添加された酸化亜鉛系発光材料であって、
前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲であることを特徴とする酸化亜鉛系発光材料。
【請求項2】
前記希土類元素は、エルビウム(Er)及びツリウム(Tm)から選ばれる一種であることを特徴とする請求項1記載の酸化亜鉛系発光材料。
【請求項3】
前記アルカリ金属元素がリチウム(Li)、ナトリウム(Na)及びカリウム(K)から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1記載の酸化亜鉛系発光材料。
【請求項4】
以下に示す所定条件下で、液体窒素で冷却したGe−pinフォトダイオード(Applied Detector Corporation社製、商品名「403L」)で試料の発光を検出することにより測定したPL強度の増加率が50倍以上であることを特徴とする請求項1乃至3記載の酸化亜鉛系発光材料。
分光器:SPEX 1702104 Spectrometer(SPEX社製)
測定温度:25℃
励起源:ビーム径1mm、入射パワー5mWのHe−Cdレーザー(波長325nm)
【請求項5】
酸化亜鉛(ZnO)に対して、希土類元素から選ばれる一種を添加する工程と、アルカリ金属元素から選ばれる少なくとも一種を添加する工程とを備え、前記希土類元素と前記アルカリ金属元素との添加濃度のモル比が希土類元素:アルカリ金属元素で1:1.5から1:5の範囲とすることを特徴とする酸化亜鉛系発光材料の製造方法。
【請求項6】
前記希土類元素は、エルビウム(Er)及びツリウム(Tm)から選ばれる一種であることを特徴とする請求項5記載の酸化亜鉛系発光材料の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2006−265437(P2006−265437A)
【公開日】平成18年10月5日(2006.10.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−87977(P2005−87977)
【出願日】平成17年3月25日(2005.3.25)
【出願人】(504139662)国立大学法人名古屋大学 (996)
【Fターム(参考)】