技科大ら，蛍光体の発光強度と結晶構造の関係解明

豊橋技術科学大学，名古屋工業大学，物質・材料研究機構（NIMS）の研究グループは，シリケート（Ca₂SiO₄）系材料に P₂O₅とEu₂O₃を添加した赤色蛍光体材料を，様々な熱処理温度で結晶構造を変化させ，その違いにより発光強度が変化するメカニズムを解明した（ニュースリリース）。

蛍光体材料の用途は広く，照明のほかにも液晶TV・モニター向けバックライト，車載用などがある。今後，ますます用途が多様化し，さらに省エネ，低コスト，高演色，長寿命化実現のために，新材料開発には多くの研究者らによる競争が進み，学会でも注目度が高い。

そのため，新規蛍光体材料開発において，その特性と発現メカニズムの解明は重要な知見となる。しかし，多くの蛍光体材料の開発は，より明るく，高効率の材料を求める一方で，メカニズム解明の詳細に関する論文は多くない。

研究グループは，シリケートは熱により容易に結晶構造を変化させるため，シリケートにPと賦活剤としてのEu³⁺を添加した赤色蛍光体を，熱処理温度を1200度～1500度と変えて合成した。ここで，賦活剤とは，結晶に入ることにより，青から赤色までいろいろな発光色を発する元素（イオン）のことをいう。

研究の結果，熱処理温度により発光強度は変化し，結晶構造変化と密接な関係があることが分かった。1500度で熱処理をした蛍光体材料の結晶構造が，セラミックス材料にはめずらしい不整合構造（Incommensurate：IC）に変化したことに注目した。

通常の結晶構造は，整数倍の周期だが，IC相は非整数倍の変調を有する結晶構造。IC相の形成により発光強度は低下した。そこで，X線回折法と計算科学を駆使することにより，原子レベルで結晶構造を詳しく解析することに成功した。

解析の結果，b-方向に4.110倍の変調構造を有し，その構造はSiO₄四面体の3種類（T,U,S）の傾きが存在すること，長い周期でみるとさらに2種類（T”,S”）の傾きの存在により，IC相を構成していることがわかった。

このような複雑なIC相が形成された理由は，SiO₄四面体の一部にPが存在すること，Caの一部にEuが存在すること，さらに1500度の高温から急冷処理により形成されたことが考えられるという。

今回のような正確な結晶構造の解析により，より明るい発光強度を有する材料合成のためには，どの結晶サイトに賦活剤が入ればよいか，どういう結晶構造が好ましいのか，などを知ることができ，新材料設計に今回の知見が活用できるとしている。