東北大ら,ガラス上にTiO2薄膜を低温作製

東北大学研究グループは,日本電気硝子との共同研究により,高屈折率でなおかつ透明なTiO2薄膜をガラス基板上に低温で作製する技術を開発し,光の反射・透過を制御する光学コーティングの作製に成功した(ニュースリリース)。

カメラや液晶プロジェクターなどの光学機器では,光の反射・透過を制御するために,屈折率の異なる材料を層状に重ねた光学コーティングが利用されている。このコーティングでは材料界面での光の反射を利用するため,高屈折率層としてより高い屈折率を持つ材料の開発が求められている。屈折率を高めることで,光学機器の高特性化が可能となるとともにコーティングの積層数が低減でき作製工程の簡素化や低コスト化が図られる。

種々の酸化物の中でTiO2は最も高い屈折率を持つ材料であり,光学コーティングに広く利用されている。TiO2はルチル型という結晶構造になるとき屈折率が最大となるが,薄膜でその結晶構造を実現するためには高価な単結晶基板や700℃程度の高温成膜プロセスが必要であり,実用化には大きな障壁があった。

そのため,現在広く用いられている真空蒸着やスパッタ法などにより作製されたTiO2薄膜は材料本来の高い屈折率を示さなかた。この課題に対して,研究ではパルスレーザー堆積法でTiO2に微量のAlを添加することにより,安価なガラス基板上に比較的低温の350℃で,光学コーティングに利用可能な高品位(透明・緻密・平滑な)ルチル型TiO2薄膜の作製に成功した。

ルチル型構造が誘起されるのは,一部のAlがTiを置換しアクセプターとして機能することで酸素空孔が導入されるためと考えらるという。この透明で高い屈折率を持つルチル型TiO2薄膜を光学コーティングに用いると,従来品よりも広い可視光領域で高い反射率を示す高性能可視光ミラーが作製できる。

この技術により,超高性能な反射防止膜など様々な光学機器への応用と,その製造プロセスの簡素化・低コスト化が期待される。また,TiO2薄膜は光学コーティング以外にも光触媒やメモリー,二次電池電極材料として精力的に研究・開発されていることから,その結晶構造制御はこれら応用分野にも波及効果があるものと期待されるとしている。

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