京大,高効率なナノアンテナ蛍光体を開発

京都大学の研究グループは,指向性ある蛍光を放つ「ナノアンテナ蛍光体」の作製に成功した(ニュースリリース)。

ナノサイズの粒⼦を基板上に周期的に並べた⼆次元構造は,光を平⾯内に強く閉じ込めたり,特定の⽅向へ集めたりする性質がある。このような構造は,光に対するアンテナ=“ナノアンテナ”と呼ばれ,先端の光技術として研究が進んでいる。

研究グループは,このナノアンテナと蛍光体を組み合わせた“ナノアンテナ蛍光体”を開発し,光源や照明応⽤を⽬指した研究を進めている。これまでに,⻩⾊蛍光体基板の上にナノアンテナを作製し,⻘⾊レーザーと組み合わせて,指向性⽩⾊光源を設計・試作している。

この試作品は,蛍光体から放たれる⻩⾊光が基板表⾯に作製されたナノアンテナの作⽤を受けて前⽅⽅向に集められ,⻘⾊レーザー光と均⼀に混ざることで,前⽅⽅向へ指向性を持った⽩⾊光を⽣成する。

これまでの研究では,強く光を散乱し,⾼い指向性が得られる⾦属アルミニウムナノ粒⼦からなるナノアンテナを使⽤していた。しかし,アルミニウムは可視光を吸収するため,⻘⾊レーザー光および⻩⾊蛍光が弱まってしまう問題と,光吸収に伴う試料過熱の問題があった。

そこで研究では,光吸収の少ない材料でナノアンテナを作製することでこの⽋点を克服することを⽬指し,⾦属アルミニウムに替わる材料として⾼屈折率かつ低光吸収材料である⼆酸化チタンを選択した。

⼿始めに⾦属アルミニウムナノ粒⼦と同じ⼤きさのナノ粒⼦を同じ周期で並べたナノアンテナ蛍光体を試作したが,光吸収は抑えられたものの,全く蛍光の指向性が得られなかった。これは⼆酸化チタンナノ粒⼦の光散乱強度がアルミニウムナノ粒⼦に⽐べ劣ることに起因する。

そこで計算機シミュレーションを援⽤し最適構造を探り,周期およびサイズともアルミニウムに⽐べ⼀回り⼤きなナノアンテナを設計・作製した。するとアルミニウムに迫る⾼い蛍光指向性と低吸収が両⽴するナノアンテナ蛍光体を作製することに成功した。正⾯⽅向への蛍光強度はアンテナがない蛍光基板の10倍に迫る値に達し,また⻘⾊レーザー光から⻩⾊蛍光への変換効率は蛍光基板と変わらなかった。

光吸収の低いナノアンテナ蛍光体は,⾼強度⻘⾊レーザーで照射した際の温度上昇が抑えられるので,⾼輝度が必要となる応⽤に有利だという。また,設計次第で更に正⾯への蛍光強度が⾼いナノアンテナ蛍光体も可能であることが⽰されたことから,研究グループは,今後の研究で限界に迫る特性を持つアンテナ開発に取り組むとしている。

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