JP7640132B2 - Method for producing stress-induced luminescent material - Google Patents
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Description
本発明は、応力発光材料及び同応力発光材料の製造方法に関する。The present invention relates to a stress-stimulated luminescent material and a method for producing the same.
これまでに本発明者らは、世界で初めて応力発光材料を発明し、その産業利用を開発している。 To date, the inventors have invented the world's first stress-induced luminescent material and are developing its industrial applications.
応力発光材料は、外部から力学的な刺激によって、そのエネルギーに相関したルミネッセンスを放出する材料であり、センサ、非破壊検査、応力分布の可視化、ストレスセンシング、および構造物の異常・危険検知など実に様々な用途が期待されている。 Stimuli-luminescent materials are materials that emit luminescence that correlates with the energy of an external mechanical stimulus, and are expected to be used in a wide variety of applications, including sensors, non-destructive testing, visualization of stress distribution, stress sensing, and detection of abnormalities and dangers in structures.
それゆえ、これまでに紫外領域波長から近赤外領域波長まで、様々な波長で応力に応じた発光が可能な応力発光材料の開発がなされている。 Therefore, stress-luminescent materials have been developed that can emit light in response to stress at various wavelengths, from ultraviolet to near-infrared wavelengths.
特に本発明者らは、これまで本技術分野において日夜鋭意研究を行うことで、高輝度緑色発光するSAO系応力発光材料(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)や、微小な応力に対しても感度良く可視光域にて発光を示すLiNbO3系応力発光材料(例えば、特許文献3参照。)、また、近赤外域にて応力発光を示すSSN系応力発光材料(例えば、特許文献4参照。)など、実に様々な応力発光材料を提案している。
In particular, the present inventors have been conducting intensive research in this technical field day and night and have proposed a wide variety of mechanoluminescent materials, such as an SAO-based mechanoluminescent material that emits green light with high luminance (see, for example,
ところでZnO(酸化亜鉛)は、顔料や塗料をはじめ、触媒材料から医薬品に至るまで応用範囲が広く、現代においては各方面で比較的ありふれた材料として利用されている。 ZnO (zinc oxide) has a wide range of applications, from pigments and paints to catalytic materials and pharmaceuticals, and is used in a variety of fields as a relatively common material in modern times.
また、ZnOは様々な分野において古くから多くの研究が行われており、例えば物性的には、材料設計や合成プロセスによって様々な粒形や光学特性を持つことが知られている。 ZnO has also been the subject of extensive research in various fields for a long time, and in terms of its physical properties, for example, it is known that it can have a variety of particle shapes and optical properties depending on the material design and synthesis process.
しかしながら、ZnOを母体材料とした応力発光材料はこれまで報告されていないし、実現不可能であると考えられていた。However, no stress-stimulated luminescent materials using ZnO as a host material have been reported to date, and they were thought to be impossible to realize.
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、ZnOを母体材料とする応力発光材料を提供する。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and provides a stress-induced luminescent material using ZnO as a base material.
また本発明では、ZnOを母体材料とする応力発光材料の製造方法やZnOの応力発光材料化方法についても提供する。The present invention also provides a method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material, and a method for converting ZnO into a stress-stimulated luminescent material.
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る応力発光材料の製造方法では、
(1)亜鉛化合物と、発光中心イオンを供給する発光中心供給化合物と、共添加イオンを供給する所定の共添加イオン供給化合物と、を混合し、同混合物(ただし、加熱により溶融して反応系を酸化雰囲気から隔離する固体保護剤を含むものを除く。)を酸化雰囲気下にて焼成するZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法であって、前記発光中心イオンは、Ndのイオン又はNdのイオン及びCr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybから選ばれるいずれか1つの元素のイオンであり、前記共添加イオンは、Li, Na, K, Rb, Csから選ばれるいずれか1つの元素のイオン又はLi及びBaのイオンであり、前記応力発光材料は、一般式ZnO:E
x
M
y
(ただし、Eは前記共添加イオンであり、Mは前記発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとした。
In order to solve the above-mentioned problems, the method for producing a mechanoluminescent material according to the present invention comprises the steps of:
( 1 ) A method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material, comprising mixing a zinc compound, a luminescence center supplying compound which supplies a luminescence center ion , and a predetermined co-dopant ion supplying compound which supplies a co-dopant ion, and firing the mixture (excluding a mixture containing a solid protective agent which is melted by heating to isolate a reaction system from an oxidizing atmosphere) under an oxidizing atmosphere, wherein the luminescence center ion is an ion of Nd or an ion of Nd and an ion of any one element selected from Cr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb, the co-dopant ion is an ion of any one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, or an ion of Li and Ba, and the stress-stimulated luminescent material has a composition represented by a general formula ZnO:E x M y (where E is the co-dopant ion and M is the luminescence center ion), where x=0.0001 to 0.7 and y=0.001 to 0.2 .
また本発明に係る応力発光材料の製造方法では、
(2)発光中心イオンと所定の共添加イオンとが存在する亜鉛イオン含有の水溶液の液性を塩基性とし又は前記水溶液に硫化物を反応させて、前記共添加イオンと発光中心イオンを水酸化亜鉛又は硫化亜鉛と共に共沈させ、同共沈物(ただし、加熱により溶融して反応系を酸化雰囲気から隔離する固体保護剤を含むものを除く。)を酸化雰囲気下にて焼成するZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法であって、前記発光中心イオンは、Ndのイオン又はNdのイオン及びCr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybから選ばれるいずれか1つの元素のイオンであり、前記共添加イオンは、Li, Na, K, Rb, Csから選ばれるいずれか1つの元素のイオン又はLi及びBaのイオンであり、前記応力発光材料は、一般式ZnO:E
x
M
y
(ただし、Eは前記共添加イオンであり、Mは前記発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとした。
In addition, in the method for producing a stress-stimulated luminescent material according to the present invention,
( 2 ) A method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material, comprising the steps of: making an aqueous solution containing zinc ions, in which a luminescent center ion and a predetermined co-doped ion are present, alkaline, or reacting the aqueous solution with a sulfide, coprecipitating the co-doped ion and the luminescent center ion with zinc hydroxide or zinc sulfide, and firing the coprecipitate (excluding those containing a solid protective agent which melts by heating to isolate the reaction system from an oxidizing atmosphere) in an oxidizing atmosphere, wherein the luminescent center ion is an ion of Nd or an ion of Nd and any one element selected from Cr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb, the co-doped ion is an ion of any one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, or an ion of Li and Ba, and the stress-stimulated luminescent material has a general formula of ZnO:E x M y (wherein E is the co-doped ion and M is the luminescent center ion), x=0.0001 to 0.7, and y=0.001 to 0.2 .
また、本発明に係る応力発光材料の製造方法によれば、亜鉛化合物と、発光中心イオンを供給する発光中心供給化合物と、共添加イオンを供給する所定の共添加イオン供給化合物と、を混合し、同混合物(ただし、加熱により溶融して反応系を酸化雰囲気から隔離する固体保護剤を含むものを除く。)を酸化雰囲気下にて焼成するZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法であって、前記発光中心イオンは、Ndのイオン又はNdのイオン及びCr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybから選ばれるいずれか1つの元素のイオンであり、前記共添加イオンは、Li, Na, K, Rb, Csから選ばれるいずれか1つの元素のイオン又はLi及びBaのイオンであり、前記応力発光材料は、一般式ZnO:E x M y (ただし、Eは前記共添加イオンであり、Mは前記発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとしたため、ZnOを母体材料とする応力発光材料の製造方法を提供することができる。特に、所定の共添加イオン供給化合物を銀イオン供給化合物、アルミニウムイオン供給化合物又はアルカリ金属化合物とすれば、ZnOを母体材料とする応力発光材料をより堅実に製造することができる。 According to a method for producing a stress-stimulated luminescent material of the present invention, a zinc compound, a luminescence center supplying compound which supplies a luminescence center ion , and a predetermined co-doped ion supplying compound which supplies a co-doped ion are mixed , and the mixture (excluding a mixture containing a solid protective agent which is melted by heating to isolate the reaction system from an oxidizing atmosphere) is fired in an oxidizing atmosphere. The luminescence center ion is an ion of Nd or an ion of Nd and any one element selected from Cr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb, the co-doped ion is an ion of any one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, or an ion of Li and Ba, and the stress-stimulated luminescent material has a general formula of ZnO:E x M y (where E is the co-doped ion, and M is the luminescence center ion), where x=0.0001-0.7, and y=0.001-0.2, it is possible to provide a method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a host material. In particular, if the predetermined co-doped ion supplying compound is a silver ion supplying compound, an aluminum ion supplying compound, or an alkali metal compound, it is possible to more reliably produce a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a host material.
また、本発明に係る応力発光材料の製造方法によれば、発光中心イオンと所定の共添加イオンとが存在する亜鉛イオン含有の水溶液の液性を塩基性とし又は前記水溶液に硫化物を反応させて、前記共添加イオンと発光中心イオンを水酸化亜鉛又は硫化亜鉛と共に共沈させ、同共沈物(ただし、加熱により溶融して反応系を酸化雰囲気から隔離する固体保護剤を含むものを除く。)を酸化雰囲気下にて焼成するZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法であって、前記発光中心イオンは、Ndのイオン又はNdのイオン及びCr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybから選ばれるいずれか1つの元素のイオンであり、前記共添加イオンは、Li, Na, K, Rb, Csから選ばれるいずれか1つの元素のイオン又はLi及びBaのイオンであり、前記応力発光材料は、一般式ZnO:E x M y (ただし、Eは前記共添加イオンであり、Mは前記発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとしたため、ZnOを母体材料とする応力発光材料の製造方法を提供することができる。特に、所定の共添加イオンを銀イオン、アルミニウムイオン又はアルカリ金属イオンとすれば、ZnOを母体材料とする応力発光材料をより堅実に製造することができる。 According to the method for producing a stress-stimulated luminescent material of the present invention, the method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material includes making an aqueous solution containing zinc ions, in which a luminescent center ion and a predetermined co-doped ion are present, basic or reacting the aqueous solution with a sulfide to coprecipitate the co-doped ion and the luminescent center ion with zinc hydroxide or zinc sulfide, and firing the coprecipitate (excluding those containing a solid protective agent which melts by heating to isolate the reaction system from an oxidizing atmosphere) in an oxidizing atmosphere, in which the luminescent center ion is an Nd ion or an Nd ion and an ion of any one element selected from Cr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb, the co-doped ion is an ion of any one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, or an ion of Li and Ba, and the stress-stimulated luminescent material has a general formula of ZnO:E x M y (where E is the co-doped ion, and M is the luminescent center ion), where x=0.0001-0.7, and y=0.001-0.2, it is possible to provide a method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a host material. In particular, if the specified co-doped ion is a silver ion, an aluminum ion, or an alkali metal ion, it is possible to more reliably produce a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a host material.
本発明は、外部から力学的な刺激により、そのエネルギーに相関したルミネッセンスを放出する応力発光材料に関するものであり、ZnO(酸化亜鉛)を母体材料とする応力発光材料に関するものである。 The present invention relates to a stress-stimulated luminescent material that emits luminescence correlated to the energy of an external mechanical stimulus, and relates to a stress-stimulated luminescent material whose base material is ZnO (zinc oxide).
特に、本実施形態に係る応力発光材料の特徴としては、ZnOに発光中心イオンと所定の共添加イオンとが固溶してなる点が挙げられる。In particular, a feature of the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment is that it is made up of a solid solution of luminescent center ions and specified co-doped ions in ZnO.
所定の共添加イオンや発光中心イオンのZnOへの固溶は、置換型固溶であっても良く、また、侵入型固溶であっても良い。The solid solution of a specified co-doped ion or luminescent center ion in ZnO may be a substitutional solid solution or an interstitial solid solution.
また、ZnOに固溶させる所定の共添加イオンは特に限定されるものではないが、例えば銀イオンやアルミニウムイオン、アルカリ金属イオンとすることができる。アルカリ金属イオンは、アルカリ金属、すなわち、Li(リチウム)、Na(ナトリウム)、K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Cs(セシウム)、Fr(フランシウム)から選ばれるいずれか1つ、又は2つ以上の金属のイオンであれば良い。なかでも、アルカリ金属イオンを、Li, Na, K, Rb及びCsから選ばれる少なくともいずれかの元素のイオンとすれば、発光中心イオンとしてNdのイオンを選択することで、より堅実な発光を伴う応力発光材料とすることができる。 The predetermined co-doped ions to be dissolved in ZnO are not particularly limited, but may be, for example, silver ions, aluminum ions, or alkali metal ions. The alkali metal ions may be ions of one or more metals selected from alkali metals, that is, Li (lithium), Na (sodium), K (potassium), Rb (rubidium), Cs (cesium), and Fr (francium). In particular, if the alkali metal ions are ions of at least one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, and Nd ions are selected as the luminescence center ions, a stress-stimulated luminescent material with more reliable luminescence can be obtained.
また、ZnOに固溶させる発光中心イオンは、前述の共添加イオンと共にZnOに固溶して発光中心として機能できるイオンであれば特に限定されるものではないが、例えば、遷移金属及びレアアースから選ばれる少なくともいずれか1種の金属のイオンとすることができる。In addition, the luminescence center ion to be dissolved in ZnO is not particularly limited as long as it is an ion that can be dissolved in ZnO together with the above-mentioned co-doped ion and function as a luminescence center, but can be, for example, an ion of at least one metal selected from transition metals and rare earths.
ここで、遷移金属イオンは、第3族元素から第11族元素の間に存在する遷移金属のイオンと解することができる。Here, transition metal ions can be understood as ions of transition metals that exist between
またレアアース(希土類金属)イオンは、例えば、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)のイオンと解することができる。 Rare earth (rare earth metal) ions can be understood as, for example, ions of Sc (scandium), Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), and Lu (lutetium).
遷移金属及びレアアースに属する金属のイオンなかでも、NdのイオンをZnOに固溶させる発光中心イオンとして採用すれば、前述の如く共添加イオンを添加すること、また同共添加イオンをAg, Al, Li, Na, K, Rb, Csから選ばれる少なくともいずれかの元素のイオンとすることで、より堅実な発光を伴う応力発光材料とすることができる。Among transition metal and rare earth metal ions, if Nd ions are used as the luminescence center ions to be dissolved in ZnO, then by adding co-doped ions as described above, and using ions of at least one element selected from Ag, Al, Li, Na, K, Rb, and Cs as the co-doped ions, a mechanoluminescent material with more consistent luminescence can be obtained.
本実施形態に係る応力発光材料は、このような構成を備えることで、ZnOを母体材料とする応力発光材料とすることができる。付言すれば、本実施形態に係る応力発光材料は、共添加イオンと発光中心イオンとが固溶したZnOの結晶体を含有する応力発光材料であるとも言える。The stress-stimulated luminescent material according to this embodiment has such a configuration, and can be a stress-stimulated luminescent material having ZnO as a base material. In addition, the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment can be said to be a stress-stimulated luminescent material containing a ZnO crystal in which a co-doped ion and a luminescence center ion are dissolved.
また、本実施形態に係る応力発光材料は、一般式ZnO:ExMy(ただし、Eは所定の共添加イオンであり、Mは遷移金属イオン及びレアアースイオンから選ばれる少なくともいずれか1種の金属イオンである発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとしても良い。 The stress-stimulated luminescent material according to this embodiment may have a composition represented by the general formula ZnO:E x M y (wherein E is a predetermined co-doped ion, and M is a luminescent center ion which is at least one metal ion selected from the group consisting of transition metal ions and rare earth ions), in which x=0.0001 to 0.7 and y=0.001 to 0.2.
また、一般式Zn1-xExO:My(ただし、Eは所定の共添加イオンであり、Mは遷移金属イオン及びレアアースイオンから選ばれる少なくともいずれか1種の金属イオンである発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとしても良いし、更には、Zn1-yMyO:Ex(ただし、Eは所定の共添加イオンであり、Mは遷移金属イオン及びレアアースイオンから選ばれる少なくともいずれか1種の金属イオンである発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることとしても良い。 The compound may also have a composition represented by the general formula Zn1 -xExO : My (wherein E is a predetermined co-doped ion and M is a luminescent center ion which is at least one metal ion selected from a transition metal ion and a rare earth ion), where x = 0.0001 to 0.7 and y = 0.001 to 0.2; or the compound may have a composition represented by the general formula Zn1 -yMyO : Ex (wherein E is a predetermined co-doped ion and M is a luminescent center ion which is at least one metal ion selected from a transition metal ion and a rare earth ion), where x = 0.0001 to 0.7 and y = 0.001 to 0.2.
ここで、xが0.7を超える量で共添加イオンを添加しても更なる効果が殆ど望めないため好ましくない。また、xの下限は、例えば0.0001以上とすることで堅実な応力発光特性が望めるが、これを下回っても応力発光可能であることが本発明者の経験上明らかとなっている。すなわち、xの範囲は0<x≦0.7であれば良く、0.0001≦x≦0.7とすることにより、応力に応じた発光をより堅実に生起させることができる。Here, adding co-doped ions in an amount x exceeding 0.7 is not preferred because almost no further effect can be expected. In addition, while a lower limit of x of, for example, 0.0001 or more can provide solid mechanoluminescence characteristics, the inventor's experience has shown that mechanoluminescence is possible even if the value is below this limit. In other words, the range of x should be 0<x≦0.7, and by setting the range to 0.0001≦x≦0.7, light emission according to stress can be more reliably generated.
またyについても同様に、yが0.001未満となると、発光中心イオンの添加の効果が殆ど得られないため好ましくない。0.001≦y≦0.2とすることにより、応力に応じた発光をより堅実に生起させることができる。Similarly, for y, if y is less than 0.001, the effect of adding the luminescence center ion is hardly obtained, which is not preferable. By making y 0.001≦y≦0.2, luminescence in response to stress can be more reliably generated.
なお付言すれば、上記一般式にて表される本実施形態の応力発光材料は、母体材料としてのZnO中に含まれるZnに対し、前記共添加イオンは0.01~70mol%、前記発光中心イオンは0.1~20mol%、好ましくは0.1~12mol%、より好ましくは0.1~1.2mol%に相当する濃度で固溶しているとも言える。In addition, in the stress-stimulated luminescent material of this embodiment represented by the above general formula, the co-doped ions are dissolved in a concentration of 0.01 to 70 mol % and the luminescent center ions are dissolved in a concentration of 0.1 to 20 mol %, preferably 0.1 to 12 mol %, and more preferably 0.1 to 1.2 mol %, relative to the Zn contained in the ZnO base material.
また、本実施形態に係る応力発光材料は、所定のマトリクス材料中に分散させて応力発光体を形成させても良い。例えば、硬化性を有する樹脂をマトリクス材料とし、硬化前の樹脂中に粉末状の応力発光材料を分散させ硬化させることにより、応力を付与することで発光を示す所望の形状の応力発光体を容易に形成することができる。なお、マトリクス材料は少なくとも、同マトリクス材料中に混在させた応力発光材料を励起させるための励起光や、応力発光材料から放射される蛍光が透過可能なものが用いられる。 The stress-luminescent material according to this embodiment may be dispersed in a predetermined matrix material to form a stress-luminescent body. For example, by using a curable resin as the matrix material and dispersing powdered stress-luminescent material in the resin before hardening and hardening it, a stress-luminescent body of a desired shape that emits light when stress is applied can be easily formed. The matrix material used is one that is at least capable of transmitting excitation light for exciting the stress-luminescent material mixed in the matrix material and fluorescence emitted from the stress-luminescent material.
また、応力発光体は、固体に限られず、流動性を有する液体状の物であっても良い。具体的には、本実施形態に係る応力発光材料を混入させた塗料なども応力発光体の概念に含まれる。In addition, the stress-stimulated luminescent material is not limited to a solid, but may be a liquid having fluidity. Specifically, paint containing the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment is also included in the concept of a stress-stimulated luminescent material.
また本願は、ZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法を提供するものでもある。その製造方法は、固相反応法によるものと液相反応法によるものの2種類が挙げられる。This application also provides a method for producing a mechanoluminescent material using ZnO as a base material. There are two types of production methods: a solid-phase reaction method and a liquid-phase reaction method.
固相反応法によるものとして、本実施形態に係るZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法では、亜鉛化合物と、遷移金属及びレアアースから選ばれる少なくともいずれか1種の金属の化合物と、所定の共添加イオン供給化合物と、を混合して焼成することとしている。なお、以下の説明において固相反応法による、本実施形態に係るZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法を「本実施形態に係る固相法」とも言う。In the method for producing a mechanoluminescent material using ZnO as a base material according to the present embodiment, which is a solid-state reaction method, a zinc compound, a compound of at least one metal selected from transition metals and rare earths, and a predetermined co-doped ion supply compound are mixed and fired. In the following description, the method for producing a mechanoluminescent material using ZnO as a base material according to the present embodiment by the solid-state reaction method is also referred to as the "solid-state method according to the present embodiment."
ここで亜鉛化合物は、混合や焼成過程を経てZnOの結晶、すなわち図1に示すような六方晶系ウルツ鉱型の結晶構造を構築可能な化合物であれば特に限定されるものではなく、例えば、ZnOやZnS等とすることができる。Here, the zinc compound is not particularly limited as long as it is a compound that can form ZnO crystals, i.e., a hexagonal wurtzite crystal structure as shown in Figure 1, through mixing and firing processes, and can be, for example, ZnO, ZnS, etc.
また、共添加イオン供給化合物は、ZnOの結晶中に先述の共添加イオンを固溶させることが可能な化合物であれば良い。共添加イオン供給化合物は特に限定されるものではないが、敢えて一例を挙げるならば、ZnOの結晶中に銀イオンを固溶させることのできる銀イオン供給化合物や、アルミニウムイオンを固溶させることのできるアルミニウムイオン供給化合物、また、アルカリ金属化合物などとすることができる。アルカリ金属化合物は、ZnOの結晶中にアルカリ金属イオンを固溶させることが可能な化合物であれば良く、例えば、アルカリ金属の炭酸塩や、アルカリ金属の硝酸塩、アルカリ金属の塩化物等とすることができる。より具体的には、例えばアルカリ金属としてLiを選択した場合には、Li2CO3やLiNO3、LiCl等とすることができ、Naを選択した場合には、Na2CO3やNaNO3、NaCl等とすることができ、Kを選択した場合には、K2CO3やKNO3、KCl等とすることができる。 The co-additive ion supply compound may be any compound capable of dissolving the co-additive ions described above in the ZnO crystal. The co-additive ion supply compound is not particularly limited, but if one dares to give an example, it may be a silver ion supply compound capable of dissolving silver ions in the ZnO crystal, an aluminum ion supply compound capable of dissolving aluminum ions, or an alkali metal compound. The alkali metal compound may be any compound capable of dissolving alkali metal ions in the ZnO crystal, and may be, for example, an alkali metal carbonate, an alkali metal nitrate, or an alkali metal chloride. More specifically, for example, when Li is selected as the alkali metal, it may be Li 2 CO 3 , LiNO 3 , LiCl, etc., when Na is selected, it may be Na 2 CO 3 , NaNO 3 , NaCl, etc., and when K is selected, it may be K 2 CO 3 , KNO 3 , KCl, etc.
また、遷移金属及びレアアース(希土類金属)から選ばれる少なくとも1種の金属の化合物についてもZnOの結晶中に発光中心イオンとしての遷移金属イオン及びレアアースイオンから選ばれる少なくともいずれか1種の金属イオンを固溶させることが可能な化合物であれば特に限定されるものではなく、同金属の酸化物や塩類(塩化物、硝酸塩、炭酸塩等)を用いることができる。より具体的には、例えばNdを選択した場合には、Nd2O3やNdCl3、Nd(NO3)3・6H2O等とすることができる。なお、以下の説明において発光中心イオンを供給する化合物、すなわち、遷移金属及びレアアース(希土類金属)から選ばれる少なくとも1種の金属の化合物を「発光中心供給化合物」ともいう。 In addition, the compound of at least one metal selected from transition metals and rare earths is not particularly limited as long as it is a compound capable of dissolving at least one metal ion selected from transition metal ions and rare earth ions as luminescence center ions in ZnO crystals, and oxides and salts (chlorides, nitrates, carbonates, etc.) of the same metals can be used. More specifically, for example, when Nd is selected, Nd 2 O 3 , NdCl 3 , Nd(NO 3 ) 3.6H 2 O, etc. can be used. In the following description, the compound that supplies the luminescence center ion, that is, the compound of at least one metal selected from transition metals and rare earths, is also referred to as the "luminescence center supplying compound".
なお、上述の各化合物は、必ずしもそれぞれ別個の化合物を用いる必要はなく、いずれか2つの元素を含む化合物などがあれば、そのような化合物を利用することも可能である。It should be noted that it is not necessary to use separate compounds for each of the above-mentioned compounds; if there is a compound that contains any two of the elements, it is also possible to use such a compound.
そして、これら化合物を所定量ずつ秤量し、乳鉢等で十分に混合した上で焼成し、必要に応じ焼成物を粉砕することで本実施形態に係る応力発光材料を得ることができる。Then, these compounds are weighed out in predetermined amounts, thoroughly mixed in a mortar or the like, and then fired, and the fired product is crushed as necessary to obtain the stress-stimulated luminescent material of this embodiment.
各化合物の秤量は、本実施形態に係る応力発光材料の構成比に準ずることができ、母体材料を構成するのに必要なZnOの量と、同ZnO中に含まれるZnの0.01~70mol%に相当する共添加イオンを固溶できる共添加イオン供給化合物の量と、Znの0.1~20mol%、好ましくは0.1~12mol%、より好ましくは0.1~1.2mol%に相当する発光中心イオンを固溶できる発光中心供給化合物の量とを秤量して混合すれば良い。The weighing of each compound can be in accordance with the composition ratio of the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment, and it is sufficient to weigh and mix the amount of ZnO required to form the base material, the amount of co-additive ion supply compound capable of dissolving co-additive ions equivalent to 0.01 to 70 mol % of the Zn contained in the ZnO, and the amount of luminescent center supply compound capable of dissolving luminescent center ions equivalent to 0.1 to 20 mol %, preferably 0.1 to 12 mol %, and more preferably 0.1 to 1.2 mol % of Zn.
また、本実施形態に係るZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法において、焼成は酸化雰囲気下にて行うのが好ましい。一般に応力発光材料を調製する際の焼成は窒素ガス雰囲気下であったり、不活性ガス雰囲気下など酸素を含まない条件下で行われるが、この点、本実施形態に係る固相法は酸化雰囲気下、例えば空気(大気)下にて行うことで良好な発光特性の応力発光材料を得ることができる点で特徴的である。In addition, in the method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material according to this embodiment, it is preferable to perform the firing in an oxidizing atmosphere. Generally, firing when preparing a stress-stimulated luminescent material is performed under conditions that do not contain oxygen, such as in a nitrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere. In this respect, the solid-phase method according to this embodiment is characterized in that a stress-stimulated luminescent material with good luminescence properties can be obtained by performing the firing in an oxidizing atmosphere, for example, in air (atmospheric air).
特に、これまで知られている近赤外応力発光材料、例えばSr3Sn2O7:Nd3+(SSN)などは、窒素雰囲気下にて1500℃程度での焼成が必要であるのに対し、発光中心イオンにネオジムイオンを採用した本実施形態に係る応力発光材料の場合、同じ近赤外応力発光材料でありながら、大気焼成で製造可能である点は極めて有用である。なお、追ってデータを参照しつつ説明するが、脱酸素下で焼成した場合でも応力発光特性は観察されるため、酸化雰囲気下での焼成は必須の条件ではないことに留意されたい。ただし、本願の権利化にあたり、出願人が焼成条件を限定することを妨げるものではない。 In particular, while known near-infrared stress-luminescent materials, such as Sr 3 Sn 2 O 7 :Nd 3+ (SSN), require firing at about 1500°C in a nitrogen atmosphere, the stress-luminescent material according to the present embodiment, which uses neodymium ions as the luminescent center ion, is extremely useful in that it can be manufactured by firing in air, even though it is the same near-infrared stress-luminescent material. Note that, as will be explained later with reference to data, the stress-luminescent properties are observed even when firing is performed in a deoxidized environment, so firing in an oxidizing atmosphere is not an essential condition. However, this does not prevent the applicant from limiting the firing conditions when granting the patent of this application.
そして、このような本実施形態に係る固相法によれば、固相反応法によりZnOを母体材料とする応力発光材料の製造方法を提供することができる。 Furthermore, according to the solid-phase method of this embodiment, a method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material by a solid-phase reaction method can be provided.
また本願では、液相反応法による製造方法についても提供する。すなわち、本実施形態に係るZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法では、発光中心イオンと所定の共添加イオンとが存在する亜鉛イオン含有の水溶液の液性を塩基性とし又は前記水溶液に硫化物を反応させて、前記共添加イオンと発光中心イオンを水酸化亜鉛又は硫化亜鉛と共に共沈させ、同共沈物を焼成するものである。なお、以下の説明において、液相反応法による本実施形態に係るZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法を「本実施形態に係る液相法」とも言う。This application also provides a manufacturing method by a liquid phase reaction method. That is, in the manufacturing method of the stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material according to this embodiment, the liquid property of a zinc ion-containing aqueous solution in which a luminescent center ion and a predetermined co-doped ion are present is made basic, or a sulfide is reacted with the aqueous solution, and the co-doped ion and the luminescent center ion are coprecipitated with zinc hydroxide or zinc sulfide, and the coprecipitate is fired. In the following description, the manufacturing method of the stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material according to this embodiment by the liquid phase reaction method is also referred to as the "liquid phase method according to this embodiment."
本実施形態に係る液相法にて使用する水溶液は、母体材料を構成するための亜鉛イオンを含むものであり、更に共添加イオンと発光中心イオンが含まれる。The aqueous solution used in the liquid phase method according to this embodiment contains zinc ions to form the base material, and further contains co-doped ions and luminescent center ions.
同水溶液の調製は、亜鉛イオンの供給源である亜鉛化合物や共添加イオンの供給源である共添加イオン供給化合物、発光中心イオンの供給源である発光中心供給化合物が必要であり、これら化合物は水溶性を示し、共沈させることができ、更に共沈物の焼成によりZnOの結晶中に共添加イオンと発光中心イオンが固溶した応力発光材料が調製されるものであれば特に限定されるものではない。The preparation of the aqueous solution requires a zinc compound which is a source of zinc ions, a co-additive ion supply compound which is a source of co-additive ions, and a luminescence center supply compound which is a source of luminescence center ions, and is not particularly limited as long as these compounds are water-soluble and can be coprecipitated, and further, a mechanoluminescent material in which the co-additive ions and luminescence center ions are solid-dissolved in the ZnO crystals can be prepared by firing the coprecipitated product.
亜鉛化合物としては、水溶性を示し亜鉛イオンを遊離できる化合物が適当であり、例えば亜鉛の塩類、より具体的にはZnCl2などを使用することができる。 As the zinc compound, a compound that is water-soluble and capable of liberating zinc ions is suitable, and for example, zinc salts, more specifically ZnCl2 , etc. can be used.
また、共添加イオン供給化合物としては、水溶性を示すとともに銀イオンやアルミニウムイオン、アルカリ金属イオン等を遊離できる化合物が適当である。アルカリ金属化合物としては、水溶性を示すとともにアルカリ金属イオン、一例としてリチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオン等を遊離できる化合物が適当であり、例えばアルカリ金属の塩類、より具体的にはLiClやNaCl、KClなどを使用することができる。As the co-additive ion supplying compound, a compound that is water-soluble and can liberate silver ions, aluminum ions, alkali metal ions, etc. is suitable. As the alkali metal compound, a compound that is water-soluble and can liberate alkali metal ions, such as lithium ions, sodium ions, potassium ions, etc., is suitable. For example, alkali metal salts, more specifically LiCl, NaCl, KCl, etc. can be used.
また、発光中心供給化合物としては、水溶性を示すとともに発光中心イオン、一例としてネオジムイオンを遊離できる化合物が適当であり、例えば遷移金属イオン及びレアアースイオンから選ばれる少なくともいずれか1種の金属の塩類、より具体的にはNd(NO3)3・6H2Oなどを使用することができる。 In addition, as the luminescent center supplying compound, a compound that is water-soluble and can liberate luminescent center ions, such as neodymium ions, is suitable, and for example, a salt of at least one metal selected from transition metal ions and rare earth ions, more specifically Nd(NO3)3.6H2O , can be used.
これら化合物に由来した水溶液中における各イオンの濃度は、本実施形態に係る応力発光材料の構成比に準ずることができる。すなわち、母体材料を構成するのに必要な亜鉛イオンと、同亜鉛イオンの0.01~70mol%に相当する共添加イオンと、前記亜鉛イオンの0.1~20mol%、好ましくは0.1~12mol%、より好ましくは0.1~1.2mol%に相当する発光中心イオンとが溶存した水溶液とすれば良い。The concentration of each ion in the aqueous solution derived from these compounds can be in accordance with the composition ratio of the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment. That is, the aqueous solution may contain the zinc ions necessary to form the base material, the co-additive ions equivalent to 0.01 to 70 mol % of the zinc ions, and the luminescence center ions equivalent to 0.1 to 20 mol %, preferably 0.1 to 12 mol %, and more preferably 0.1 to 1.2 mol % of the zinc ions.
また、本実施形態に係る液相法の特徴として、沈降性の亜鉛化合物を生成させ共添加イオンと発光中心イオンを巻き込みつつ沈殿(共沈)させる点が挙げられる。Another feature of the liquid phase method according to this embodiment is that it produces a precipitated zinc compound and precipitates (co-precipitates) it while incorporating the co-doped ions and luminescent center ions.
沈降性亜鉛化合物の生成は特に限定されるものではないが、例えば、水溶液の液性を塩基性としたり、また水溶液に硫化物を反応させることで行っても良い。水溶液の液性を塩基性とした場合は水酸化亜鉛を生成させて沈降させることができ、また、水溶液に硫化物を反応させた場合は硫化亜鉛を生成して沈降させることができる。There is no particular limitation on the method for producing the precipitated zinc compound, but it may be produced, for example, by making the aqueous solution basic or by reacting the aqueous solution with a sulfide. When the aqueous solution is made basic, zinc hydroxide is produced and precipitated, and when the aqueous solution is reacted with a sulfide, zinc sulfide is produced and precipitated.
水酸化亜鉛を沈降させる手法の一例としては、例えば沈殿剤として尿素を用いる方法が挙げられる。より具体的には、水溶液中に所定量の尿素を溶存させておき、水溶液を70~90℃程度に加熱することで尿素の分解、すなわち、
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2
を促す方法である。
One example of a method for precipitating zinc hydroxide is a method using urea as a precipitant. More specifically, a predetermined amount of urea is dissolved in an aqueous solution, and the aqueous solution is heated to about 70 to 90°C to decompose the urea, i.e.,
CO(NH 2 ) 2 + H 2 O → 2NH 3 + CO 2
This is a way to encourage this.
塩化亜鉛の存在下では、
CO(NH2)2 + ZnCl2 + 3H2O → Zn(OH)2↓ + 2NH4Cl + CO2
の反応が行われることとなり、水酸化亜鉛が沈殿する。このとき、水溶液中に存在する共添加イオンと発光中心イオンを巻き込みつつ沈殿(共沈)させることができる。
In the presence of zinc chloride,
CO(NH 2 ) 2 + ZnCl 2 + 3H 2 O → Zn(OH) 2 ↓ + 2NH 4 Cl + CO 2
The reaction takes place, and zinc hydroxide precipitates. At this time, the co-additive ions and luminescence center ions present in the aqueous solution can be caught in the precipitation (co-precipitation).
また、水酸化亜鉛を沈降させる別の手法の例として、例えばチオアセトアミドを沈殿剤として用いる例が挙げられる。より具体的には、水溶液中に所定量のチオアセトアミドを溶存させておき、塩化亜鉛が存在する水溶液を70℃以上に加熱することでチオアセトアミドの分解を促すと、
C2H5NS + ZnCl2+ H2O → ZnS↓ + C2H5NO + 2HCl
の反応が行われることとなり、硫化亜鉛が沈殿する。水溶液中に存在する共添加イオンと発光中心イオンを巻き込みつつ沈殿(共沈)させることができる。
Another example of a method for precipitating zinc hydroxide is to use thioacetamide as a precipitant. More specifically, a certain amount of thioacetamide is dissolved in an aqueous solution, and the aqueous solution containing zinc chloride is heated to 70°C or higher to promote decomposition of the thioacetamide.
C 2 H 5 NS + ZnCl 2 + H 2 O → ZnS↓ + C 2 H 5 NO + 2HCl
The reaction takes place, and zinc sulfide precipitates. The co-doped ions and luminescent center ions present in the aqueous solution can be precipitated (co-precipitated).
液相法において、水溶液中におけるZnイオンの濃度は、0.1~0.5mol/Lの範囲とすることができる。In the liquid phase method, the concentration of Zn ions in the aqueous solution can be in the range of 0.1 to 0.5 mol/L.
また、水溶液中におけるアルカリ金属イオンの濃度は、単位体積中に含まれるZnイオンの0.01~70mol%に相当する量、すなわち、0.00001~0.35mol/Lの範囲とすることができる。 In addition, the concentration of alkali metal ions in the aqueous solution can be in the range of 0.01 to 70 mol% of the Zn ions contained in a unit volume, i.e., 0.00001 to 0.35 mol/L.
また、水溶液中における発光中心イオンの濃度は、単位体積中に含まれるZnイオンの0.1~20mol%、好ましくは0.1~12mol%、より好ましくは0.1~1.2mol%に相当する量、例えば0.1~1.2mol%なら0.0001~0.006mol/Lの範囲とすることができる。In addition, the concentration of the luminescent center ion in the aqueous solution can be an amount equivalent to 0.1 to 20 mol%, preferably 0.1 to 12 mol%, and more preferably 0.1 to 1.2 mol% of the Zn ions contained in a unit volume, for example, 0.0001 to 0.006 mol/L for 0.1 to 1.2 mol%.
また、水溶液中における沈殿剤の量は適宜調整可能であるが、一例としては、Znイオンと不足なく反応し沈殿させることができる量とすることができる。例えば沈殿剤として尿素(CO(NH2)2)やチオアセトアミド(C2H5NS)を用いる場合は、1molのZnイオンに対して約1mol、好ましくは1molをやや超える程度(例えば、1.1~1.5mol程度)とすることができる。 The amount of precipitant in the aqueous solution can be adjusted as appropriate, but for example, it can be an amount that can react adequately with Zn ions to precipitate them. For example, when urea (CO(NH 2 ) 2 ) or thioacetamide (C 2 H 5 NS) is used as the precipitant, the amount can be about 1 mol, preferably a little more than 1 mol (e.g., about 1.1 to 1.5 mol), per mol of Zn ions.
得られた共沈物は焼成し、必要に応じ焼成物を粉砕することで本実施形態に係る応力発光材料を得ることができる。The obtained coprecipitate is calcined, and if necessary, the calcined product is pulverized to obtain the stress-stimulated luminescent material of this embodiment.
焼成は、本実施形態に係る液相法においても、前述の本実施形態に係る固相法と同様に、酸化雰囲気下、例えば空気(大気)下にて行うことで良好な発光特性の応力発光材料を得ることができる。なお、本実施形態に係る液相法においても、酸化雰囲気下での焼成は必須ではなく、また、出願人が焼成条件を限定することも妨げない。 In the liquid phase method according to this embodiment, firing can be performed in an oxidizing atmosphere, for example, in air (atmosphere), in the same manner as in the solid phase method according to this embodiment described above, to obtain a mechanoluminescent material with good luminescence properties. Note that firing in an oxidizing atmosphere is not essential in the liquid phase method according to this embodiment, and the applicant is free to limit the firing conditions.
また本願は、ZnOに共添加イオンと発光中心イオンとを固溶させるZnOの応力発光材料化方法についても提供する。すなわち、これまで応力発光材料として機能させることができない材料であったZnOを応力発光材料化させる方法を提供するものであり、ZnOに共添加イオンと発光中心イオンとを固溶させる点を特徴とするものである。The present application also provides a method for making ZnO into a stress-stimulated luminescent material by dissolving co-doped ions and luminescent center ions in ZnO. In other words, the present application provides a method for making ZnO, which has been unable to function as a stress-stimulated luminescent material until now, into a stress-stimulated luminescent material, and is characterized by dissolving co-doped ions and luminescent center ions in ZnO.
以下、本実施形態に係る応力発光材料や応力発光体、応力発光材料の製造方法、ZnOの応力発光材料化方法について、実際の製造例や試験結果等を参照しながら詳細に説明する。なお本願では幾つかの代表例により本発明の内容を明らかにするが、本発明者の長年に亘る経験上、一般式にて示す元素や値の範囲内において応力発光可能であり、本発明は当該代表例の元素や値に限定されるものではないことに留意されたい。The following describes in detail the stress-stimulated luminescent material and stress-stimulated luminescent body according to the present embodiment, the method for manufacturing the stress-stimulated luminescent material, and the method for making ZnO into a stress-stimulated luminescent material, with reference to actual manufacturing examples and test results. Note that although the present application uses several representative examples to clarify the contents of the present invention, based on the inventor's many years of experience, stress-stimulated luminescence is possible within the range of elements and values shown in the general formula, and that the present invention is not limited to the elements and values of these representative examples.
〔1.固相法による応力発光材料の調製〕
本実施形態に係る固相反応法により、本実施形態に係る応力発光材料であるZnO:Nd3+
0.006,Li+
0.006の調製を行った。
1. Preparation of mechanoluminescent materials by solid-phase method
By the solid-state reaction method according to this embodiment, ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 which is the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment was prepared.
まず、亜鉛化合物としてのZnO(堺化学 99.7%)と、アルカリ金属化合物(共添加イオン供給化合物)としてのLi2CO3(高純度化学研究所 99.99%)と、発光中心供給化合物としてのNd2O3(高純度化学研究所 99.9%)とを化学量論比に基づいて秤量後、メノウ乳鉢で十分に混合・粉砕を行った。 First, ZnO (Sakai Chemical, 99.7%) as the zinc compound, Li 2 CO 3 (Kojundo Chemical Laboratory, 99.99%) as the alkali metal compound (co-additive ion supply compound), and Nd 2 O 3 (Kojundo Chemical Laboratory, 99.9%) as the luminescent center supply compound were weighed out based on the stoichiometric ratio, and then thoroughly mixed and ground in an agate mortar.
次に、電気炉を使用し、粉砕混合物を600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃の各温度にて所定時間(例えば3~10時間、より具体的には4~6時間)にわたり大気雰囲気下にて焼成することで焼結させた。得られた焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、本実施形態に係る応力発光材料としてのZnO:Nd3+ 0.006,Li+ 0.006を得た。なお、以下の説明において、上述の製造方法を固相基準製法ともいう。 Next, the ground mixture was sintered by firing in an air atmosphere at temperatures of 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, and 1200°C for a predetermined time (e.g., 3 to 10 hours, more specifically, 4 to 6 hours) using an electric furnace. The resulting fired product was ground in an agate mortar to obtain ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 as the stress-stimulated luminescent material according to this embodiment. In the following description, the above-mentioned manufacturing method is also referred to as the solid-phase based manufacturing method.
またここでは、固相基準製法に対し共添加イオン供給化合物の添加量を変化させた試料や、発光中心供給化合物の添加量を変化させた試料の調製も行った。 Here, we also prepared samples in which the amount of co-added ion supply compound added was changed compared to the solid-phase standard method, and samples in which the amount of luminescence center supply compound added was changed.
共添加イオン供給化合物としてのアルカリ金属化合物の添加量を変化させた試料は、ここでは、Li添加量を0~70mol%で変化させた試料とした。具体的には、ZnO:Nd3+ 0.006,Li+ x(x=0~0.7)であり、より詳細には、x=0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.012, 0.018, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.7について調製した。 The samples with different amounts of alkali metal compounds added as co-doped ion supplying compounds were prepared by changing the amount of Li added from 0 to 70 mol%. Specifically, the sample was ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + x (x=0 to 0.7), and more specifically, samples were prepared for x=0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.012, 0.018, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, and 0.7.
また、発光中心供給化合物の添加量を変化させた試料は、ここでは、Nd添加量を0~1.2mol%で変化させた試料とした。具体的には、ZnO:Nd3+ y,Li+ 0.01(y=0~0.12)であり、より詳細には、y=0, 0.003, 0.006, 0.012について調製した。 The samples with different amounts of the luminescence center supplying compound were prepared by varying the amount of Nd added from 0 to 1.2 mol%. Specifically, the sample was ZnO:Nd 3+ y ,Li + 0.01 (y=0 to 0.12), and more specifically, samples were prepared with y=0, 0.003, 0.006, and 0.012.
またここでは、固相基準製法において亜鉛化合物として使用したZnOの代わりに、ZnS(和光純薬工業 99.999%)を用いた試料の調製も行った。なお、以下の説明において同製法を固相ZnS製法ともいう。 Here, we also prepared samples using ZnS (Wako Pure Chemical Industries, 99.999%) instead of ZnO, which was used as the zinc compound in the solid-phase standard method. In the following explanation, this method is also referred to as the solid-phase ZnS method.
また、固相基準製法において共添加イオン供給化合物として使用したアルカリ金属化合物であるLi2CO3の代わりとして、LiCl(CERAC 99.8%)やNa2CO3(高純度化学研究所 99.8%)、K2CO3(高純度化学研究所 99%)、MgCO3(高純度化学研究所 99.9%)、CaCO3(高純度化学研究所 99.99%)、SrCO3(高純度化学研究所 99.99%)、BaCO3(高純度化学 99.95%)、H3BO3(ALDRICH 99.99%)を用いた試料の調製も行った。なお、調製した試料では、それぞれ目的の元素が1mol%になるように添加量を調節した。 In addition, samples were also prepared using LiCl (CERAC 99.8%), Na 2 CO 3 (Kojundo Chemical Laboratory 99.8%), K 2 CO 3 (Kojundo Chemical Laboratory 99%), MgCO 3 (Kojundo Chemical Laboratory 99.9%), CaCO 3 (Kojundo Chemical Laboratory 99.99%), SrCO 3 (Kojundo Chemical Laboratory 99.99%), BaCO 3 (Kojundo Chemical Laboratory 99.95%) and H 3 BO 3 (ALDRICH 99.99%) as replacements for Li 2 CO 3 , an alkali metal compound used as a co-doped ion supply compound in the solid-phase standard method. Note that the amount of each target element added in the prepared samples was adjusted to 1 mol%.
また、固相基準製法における大気雰囲気下での焼成に関し、焼成雰囲気をN2雰囲気や流動Ar雰囲気とした試料の調製も行った。 In addition, with regard to sintering in an air atmosphere in the solid-phase standard manufacturing method, samples were also prepared in which the sintering atmosphere was a N2 atmosphere or a flowing Ar atmosphere.
〔2.応力発光材料のXRD解析〕
固相基準製法により得られた試料と、固相ZnS製法により得た試料について、粉末X線回折装置(XRD)で結晶相の同定を行った。図2にZnO:Nd3+
0.006,Li+
0.006のXRD回折パターンを示す。
[2. XRD analysis of mechanoluminescent materials]
The crystal phases of the samples obtained by the solid-phase standard method and the solid-phase ZnS method were identified using a powder X-ray diffractometer (XRD). Figure 2 shows the XRD diffraction pattern of ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 .
図2に示すように、固相基準製法により得られた試料は、XRD測定によりZnO(PDF_01-078-3322)酸化亜鉛六方晶単相であることが分かった。As shown in Figure 2, XRD measurement showed that the sample obtained by the solid-phase standard method was a single-phase hexagonal zinc oxide (ZnO) (PDF_01-078-3322).
また、固相ZnS製法により得た試料の分析結果から、原料にZnSを用いて合成した場合、結晶性の向上とともに(101)面の配向が確認された。これは、ZnSはZnOよりも融点が低いことに加え、酸化する際の結晶構造変化が影響しているとものと考えられた。 Furthermore, analysis of samples obtained using the solid-phase ZnS manufacturing method confirmed that when ZnS was used as the raw material for synthesis, the crystallinity improved and the (101) plane was oriented. This was thought to be due to the fact that ZnS has a lower melting point than ZnO, as well as the influence of changes in the crystal structure during oxidation.
図1にて示したように、ZnOは対称中心のない、空間群P63mcに分類される構造を持つ。そしてZnを中心とする四面体がPlate-like構造を形成している。この歪やすい構造は応力発光に有利であると考えられる。As shown in Figure 1, ZnO has a structure without a center of symmetry, classified into the space group P63mc. The tetrahedron with Zn at the center forms a plate-like structure. This easily distorted structure is thought to be advantageous for mechanoluminescence.
〔3.応力発光材料の検鏡〕
次に、固相基準製法により得られた試料と、固相ZnS製法により得た試料について、走査型電子顕微鏡による観察を行った。図3(a)に固相基準製法により得られた試料のSEM像を示し、図3(b)に固相ZnS製法により得た試料のSEM像を示す。
[3. Microscopy of Stimuli-Luminescent Materials]
Next, the samples obtained by the solid-phase reference method and the solid-phase ZnS method were observed using a scanning electron microscope. Figure 3(a) shows an SEM image of the sample obtained by the solid-phase reference method, and Figure 3(b) shows an SEM image of the sample obtained by the solid-phase ZnS method.
図3(a)に示したSEM像からもわかるように、固相基準製法(ZnOをベースに合成したもの)により得られたZnO粒子は不定形であり、1μm程度の粒子が集合したような形状をしており、一部が層状になっている構造が認められた。As can be seen from the SEM image shown in Figure 3 (a), the ZnO particles obtained by the solid-phase method (synthesized based on ZnO) were amorphous and had a shape resembling an aggregate of particles of about 1 μm in size, with some of them having a layered structure.
それに対し、固相ZnS製法(ZnSをベースに合成したもの)により得られたZnO粒子は、図3(b)に示すように不定形ではあるものの滑らかな表面をしており、縞模様が確認された。In contrast, the ZnO particles obtained by the solid-phase ZnS method (synthesized based on ZnS) had an irregular but smooth surface, as shown in Figure 3 (b), and a striped pattern was observed.
〔4.蛍光スペクトル及び励起スペクトル測定〕
次に固相基準製法により得られた試料について、蛍光スペクトルおよび励起スペクトルを測定した。蛍光スペクトルは分光計を使用して測定した。蛍光スペクトルの測定結果を図4(a)に示し、励起スペクトルの測定結果を図4(b)に示す。
4. Measurement of Fluorescence Spectrum and Excitation Spectrum
Next, the fluorescence spectrum and excitation spectrum of the sample obtained by the solid-phase reference method were measured. The fluorescence spectrum was measured using a spectrometer. The measurement result of the fluorescence spectrum is shown in Figure 4(a), and the measurement result of the excitation spectrum is shown in Figure 4(b).
図4(a)から分かるように、固相基準製法により得られたZnO:Nd3+ 0.006,Li+ 0.006は、898nmに4F3/2→4I9/2、1086nmに4F3/2→4I11/2に基づく近赤外のフォトルミネセンス(PL:Photoluminescence)を示すことが確認された。またこのPLは、可視領域の蛍光と比べるととても強いものであった。 As can be seen from Figure 4 (a), ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 obtained by the solid-phase standard method was confirmed to show near-infrared photoluminescence (PL) based on 4 F 3/2 → 4 I 9/2 at 898 nm and 4 F 3/2 → 4 I 11/2 at 1086 nm. Moreover, this PL was very strong compared to the fluorescence in the visible region.
また図4(b)に示すように、それらのPLは紫外線と可視光によって励起することができることが示された。 Furthermore, as shown in Figure 4(b), it was shown that their PL can be excited by ultraviolet and visible light.
〔5.応力発光特性の検討〕
次に、固相基準製法により得られたZnO:Nd3+
0.006,Li+
0.006に関し、応力発光(ML: Mechanoluminescence)の特性について検討した。
5. Study of mechanoluminescence properties
Next, the mechanoluminescence (ML) properties of ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 obtained by the solid-phase standard method were investigated.
応力発光特性の評価は、円柱形の試験体を対象として行われた。この試験体は、固相基準製法により得た粉末試料0.5gとエポキシ樹脂4.5gを混合した複合樹脂ペレット(直径25mm、厚さ10mm)からなるものであり、本実施形態に係る応力発光体に相当するものである。The evaluation of mechanoluminescence properties was carried out on a cylindrical test specimen. This test specimen was made of a composite resin pellet (
この試験体に励起光を5分間事前照射し、10秒間待機したのち、機械的な圧縮を行うことで評価を行った。事前照射に用いた光源は中心波長365nm (λ1/215nm)のLED (MDRL-CUV31, MORITEX, Saitama, Japan)である。The specimen was pre-irradiated with excitation light for 5 minutes, waited for 10 seconds, and then mechanically compressed for evaluation. The light source used for pre-irradiation was an LED (MDRL-CUV31, MORITEX, Saitama, Japan) with a central wavelength of 365 nm (λ1/215 nm).
また、圧縮は(Tensilon, RTC-1310A, Orintec Co., Tokyo, Japan)を用いて、3mm/min、0~1000Nの条件で試験体を圧縮した。そしてInGaAsセンサを搭載したカメラ (C14041-10U, HAMAMATSU, Shizuoka, Japan) を使用し、試験体の上部と中心部のML強度を測定した。図5にその結果を示す。 The specimens were compressed at 3 mm/min with a pressure of 0 to 1000 N using a compression machine (Tensilon, RTC-1310A, Orintec Co., Tokyo, Japan). The ML strength of the upper and central parts of the specimens was measured using a camera equipped with an InGaAs sensor (C14041-10U, HAMAMATSU, Shizuoka, Japan). The results are shown in Figure 5.
図5から分かるように、固相基準製法により得られたZnO:Nd3+ 0.006,Li+ 0.006は近赤外の応力発光を示し、試験体の中心部(ROI 2)では0~500Nまで、加えられた力に応じて応力発光強度も上昇していることが確認された。 As can be seen from Figure 5, ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 obtained by the solid-phase standard method exhibits near-infrared stress-stimulated luminescence, and it was confirmed that in the center of the test specimen (ROI 2), the stress-stimulated luminescence intensity increased in response to the applied force from 0 to 500 N.
一方、試験体の上端部(ROI 1)では200Nまでに急激な応力発光を示し、それ以降の発光量は減少傾向にあることが分かる。これは、円柱状である試験体の上端部には極端に強い応力がかかるため、破壊的な発光の影響が強いことを示している。On the other hand, the top end of the test specimen (ROI 1) shows a sudden increase in stress-induced luminescence up to 200 N, after which the amount of luminescence tends to decrease. This indicates that the top end of the cylindrical test specimen is subjected to extremely strong stress, and therefore has a strong effect of destructive luminescence.
また図6に示すように、試験体の平面部にガラス棒を用いて文字を書くと、その軌跡に沿って近赤外の摩擦発光(Triboluminescence)が確認された。 Furthermore, as shown in Figure 6, when letters were written on the flat surface of the test specimen using a glass rod, near-infrared triboluminescence was observed along the trace.
次に、試験体に対する同様な試験を20回連続で繰り返した際の各回における応力発光強度について確認を行った。その結果を図7に示す。Next, the same test was repeated 20 times in succession on the test specimen, and the mechanoluminescence intensity was checked for each test. The results are shown in Figure 7.
図7からも分かるように、試験体の中心部(ROI 2)の応力発光の強度は1回目から20回目の間で顕著な変化は見られず、安定した応力発光が観察された。これはZnO:Nd3+ 0.006,Li+ 0.006が弾性領域の発光であるピエゾルミネッセンス(Piezoluminescence)を示す証拠である。 As can be seen in Fig. 7, the intensity of mechanoluminescence at the center of the specimen (ROI 2) did not change significantly between the 1st and 20th times, and stable mechanoluminescence was observed. This is evidence that ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 exhibits piezoluminescence, which is luminescence in the elastic region.
一方、ペレットの上端部(ROI 1)は破壊的な発光が含まれているため、定量性は高くないことが示された。 On the other hand, the upper end of the pellet (ROI 1) contained destructive luminescence, indicating that quantitation was not highly reliable.
このように、本実施形態に係る応力発光材料は、ZnOを母体材料とする応力発光材料であることが示された。特に、ZnOを母体とした応力発光が見いだされたのは今回が初めてであり、この点においても本発明は極めて大きな意義を有している。In this way, it has been shown that the mechanoluminescent material according to this embodiment is a mechanoluminescent material that uses ZnO as a host material. In particular, this is the first time that mechanoluminescence has been discovered that uses ZnO as a host material, and in this respect, the present invention is of great significance.
〔6.固相基準製法により得られた試料とその他試料の応力発光強度の比較〕
次に、固相基準製法により得られた試料とその他試料について、応力発光強度の比較を行った。比較に使用した試料は、[A]固相基準製法により得られた試料、[B]固相ZnS製法により得た試料、[C]アルカリ金属化合物(共添加イオン供給化合物)を添加することなく固相基準製法と同様に調製した試料、[D]アルゴン雰囲気下で焼成した以外は固相基準製法と同様に調製した試料、[E]窒素雰囲気下で焼成した以外は固相基準製法と同様に調製した試料の5つである。なおここでは、いずれも1100℃で焼成したものを使用した。
6. Comparison of mechanoluminescence intensity between samples obtained by the solid-phase standard method and other samples
Next, the mechanoluminescence intensity of the sample obtained by the solid-phase reference method was compared with that of other samples. The five samples used for comparison were: [A] a sample obtained by the solid-phase reference method, [B] a sample obtained by the solid-phase ZnS method, [C] a sample prepared in the same manner as the solid-phase reference method without adding an alkali metal compound (a co-additive ion supply compound), [D] a sample prepared in the same manner as the solid-phase reference method except that it was fired under an argon atmosphere, and [E] a sample prepared in the same manner as the solid-phase reference method except that it was fired under a nitrogen atmosphere. All samples fired at 1100°C were used here.
図8に、各試料の応力発光強度のグラフを示す。なお、図8のグラフでは、[F]として固相基準製法により得られた試料の可視領域における応力発光強度を示している。 Figure 8 shows a graph of the mechanoluminescence intensity of each sample. In the graph in Figure 8, [F] shows the mechanoluminescence intensity in the visible region of the sample obtained by the solid-phase reference method.
まず、図8において[B]として示すように固相ZnS製法の場合、応力発光強度が1.5倍ほど向上することが確認された。これは図2のXRDスペクトルで示したように、亜鉛化合物としてZnSを用いた場合の方が結晶性が向上するためであると考えられる。First, it was confirmed that the mechanoluminescence intensity was improved by about 1.5 times in the case of the solid-phase ZnS manufacturing method, as shown by [B] in Figure 8. This is thought to be because, as shown by the XRD spectrum in Figure 2, the crystallinity is improved when ZnS is used as the zinc compound.
また[C]として示すように、アルカリ金属化合物(共添加イオン供給化合物)を添加しない場合、極僅かな応力発光が見られたものの、応力発光強度は著しく低下した。このことから、ZnOに応力発光特性を付与するにあたっては、共添加イオン供給化合物の添加が重要であることが分かる。付言すれば、実用性を備えたZnO系応力発光材料を実現させるためには、共添加イオン供給化合物の添加が必須であるとも言える。 Furthermore, as shown by [C], when no alkali metal compound (co-doped ion supply compound) was added, very little mechanoluminescence was observed, but the mechanoluminescence intensity was significantly reduced. This shows that the addition of a co-doped ion supply compound is important in endowing ZnO with mechanoluminescent properties. In addition, it can be said that the addition of a co-doped ion supply compound is essential to realize a ZnO-based mechanoluminescent material with practical utility.
また[D]及び[E]として示すように、焼成をAr雰囲気下やN2雰囲気下とした場合、[C]ほどではないものの、著しい応力発光強度の低下が見られた。これはZnOにおいて酸素欠陥が応力発光特性の消失に深く関係していることが考えられる。すなわち、必須ではないものの、大気(空気)中など酸素の存在する雰囲気下にて焼成することが、良好な応力発光強度を備えたZnO系応力発光材料を実現させる上で重要であることが分かる。 In addition, as shown in [D] and [E], when the sintering was performed in an Ar or N2 atmosphere, a significant decrease in the mechanoluminescence intensity was observed, although not as much as in [C]. This is thought to be due to the fact that oxygen defects in ZnO are deeply related to the loss of the mechanoluminescence properties. In other words, although not essential, it is clear that sintering in an atmosphere containing oxygen, such as in the air, is important in realizing a ZnO-based mechanoluminescent material with good mechanoluminescence intensity.
また[F]として示すように、[A]の固相基準製法により得られた試料を可視領域(Wavelengt400~800nm)で観察しても応力発光は観察されなかった。ただし、この結果は1100℃にて焼成したサンプルについての結果であり、本発明者の経験上、他の温度にて焼成すれば可視光域でも発光を示すことがわかっている。データは割愛するが、現に固相基準製法と同様の方法で焼成温度を900℃としたサンプルは、可視光域での応力発光が観測されている。 As shown by [F], no mechanoluminescence was observed in the visible region (Wavelength 400-800 nm) when the sample obtained by the solid-phase standard manufacturing method [A] was observed. However, this result is for a sample fired at 1100°C, and the inventor's experience has shown that luminescence will occur in the visible light region if fired at other temperatures. Although the data is omitted, in fact, mechanoluminescence in the visible light region has been observed in a sample fired at 900°C using a method similar to the solid-phase standard manufacturing method.
〔7.発光中心イオン量の検討〕
次に、応力発光材料の製造条件の最適化について検討すべく、まずは発光中心イオンの量について検討を行った。
[7. Consideration of the amount of luminescence center ions]
Next, in order to study the optimization of the manufacturing conditions for the stress-stimulated luminescent material, the amount of the luminescence center ion was first examined.
具体的には、〔1.固相法による応力発光材料の調製〕にて調製したZnO:Nd3+ y,Li+ 0.01(y=0, 0.003, 0.006, 0.012)について応力発光強度の測定を行った。その結果を図9に示す。 Specifically, the mechanoluminescence intensity was measured for ZnO:Nd 3+ y ,Li + 0.01 (y=0, 0.003, 0.006, 0.012) prepared in [1. Preparation of mechanoluminescent material by solid phase method]. The results are shown in Figure 9.
図9から分かるように、フォトルミネッセンス及び応力発光のいずれも発光中心イオン(ここでは、Nd3+)の発光に起因するものであるため、Nd添加量が0mol%の時は発光を示さなかった。これに対し、ZnO:Nd3+ y,Li+ 0.01(y=0.003, 0.006, 0.012)について応力発光が認められたが、添加量との明確な相関は確認できなかった。なおデータの図示は割愛するが、フォトルミネッセンス及び応力発光のいずれもy=0.001~0.12(0.1~12mol%)の範囲内での添加では大きな影響は見られなかった。また、0<y<0.001の範囲でも応力発光が観察された。 As can be seen from Fig. 9, both photoluminescence and mechanoluminescence are due to the emission of the luminescence center ion (here, Nd 3+ ), so no emission was observed when the Nd addition amount was 0 mol%. In contrast, mechanoluminescence was observed for ZnO:Nd 3+ y ,Li + 0.01 (y = 0.003, 0.006, 0.012), but no clear correlation with the amount of addition was confirmed. Although the data is not shown in figures, no significant effect was observed on either photoluminescence or mechanoluminescence when the addition was within the range of y = 0.001 to 0.12 (0.1 to 12 mol%). Mechanoluminescence was also observed in the range of 0 < y < 0.001.
〔8.共添加イオン量の検討〕
次に、共添加イオンの量について検討を行った。具体的には、〔1.固相法による応力発光材料の調製〕にて調製したZnO:Nd3+
0.006,Li+
x(x=0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.012, 0.018, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.7)について応力発光強度の測定を行った。その結果を図10に示す。
8. Consideration of the amount of co-added ions
Next, the amount of co-doped ions was examined. Specifically, the mechanoluminescence intensity was measured for ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + x (x=0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.012, 0.018, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.7) prepared in [1. Preparation of mechanoluminescent material by solid-state method]. The results are shown in Figure 10.
まず、x=0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.012, 0.018(0~1.8mol%)に関しては、図10から分かるように、共添加イオン(ここでは、アルカリ金属イオンであるLiイオン)の添加量が0mol%のときは応力発光特性を示さなかった。その一方、それ以降の添加に対しては応力発光が見られたが、共添加イオンの添加量との相関性は見られなかった。これは共添加イオンの添加によってトラップが生じ、応力発光特性を持つ大きな要因となっていることを示唆している。First, for x=0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.006, 0.012, 0.018 (0 to 1.8 mol%), as can be seen from Figure 10, when the amount of co-doped ions (here, Li ions, which are alkali metal ions) added was 0 mol%, no mechanoluminescence characteristics were observed. On the other hand, for subsequent additions, mechanoluminescence was observed, but no correlation was observed with the amount of co-doped ions added. This suggests that the addition of co-doped ions creates traps, which is a major factor in the mechanoluminescence characteristics.
また、x=0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.7(5~70mol%)に関しても、図11に示すように、共添加イオンの添加に対する応力発光は見られたが、添加量との相関性は見られなかった。 In addition, for x = 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, and 0.7 (5 to 70 mol%), as shown in Figure 11, stress-induced luminescence was observed in response to the addition of co-doped ions, but no correlation with the amount added was observed.
これらの結果から、共添加イオンの添加は本実施形態に係る応力発光材料の応力発光特性に必須である要素だということが分かった。また、ZnO:Nd3+ 0.006,Li+ xについて、共添加イオン(ここでは、アルカリ金属イオンであるLiイオン)の添加量を0~1.8mol%としたときのXRD測定の結果を図12(a)に、5~70mol%としたときのXRD測定の結果を図12(b)に示しているが、これらXRD測定の結果からも、共添加イオンの添加による酸化亜鉛結晶相の変化は確認されなかった。ただし、本発明者らの更なる研究によれば、詳細なデータの提示はここでは割愛するが、Li添加による格子定数の変化が見られ、LiはZnサイトを置換していることが分かった。 From these results, it was found that the addition of co-doped ions is an essential element for the mechanoluminescent properties of the mechanoluminescent material according to this embodiment. In addition, for ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + x , the results of XRD measurements when the amount of co-doped ions (here, Li ions, which are alkali metal ions) added is 0 to 1.8 mol% are shown in Fig. 12(a), and the results of XRD measurements when the amount is 5 to 70 mol% are shown in Fig. 12(b). From these XRD measurements, no change in the zinc oxide crystal phase due to the addition of co-doped ions was confirmed. However, according to further research by the present inventors, although detailed data will not be presented here, a change in the lattice constant due to the addition of Li was observed, and it was found that Li replaced the Zn site.
そこで次に、共添加イオンの添加の意味を考察すべく、いくつかのアルカリ金属化合物・アルカリ土類金属化合物・ホウ酸を添加し、比較を行った。Next, in order to consider the significance of adding co-additive ions, several alkali metal compounds, alkaline earth metal compounds, and boric acid were added and compared.
〔9.共添加イオンの種類に関する検討〕
ここでは、共添加イオンの種類について検討を行った。具体的には、〔1.固相法による応力発光材料の調製〕にて各種化合物を用いて調製した試料、すなわち、固相基準製法において共添加イオン供給化合物として使用したアルカリ金属化合物であるLi2CO3の代わりとして、LiClやNa2CO3、K2CO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、H3BO3を用いた試料について、フォトルミネッセンス及び応力発光の特性を検討した。その結果を図13に示す。
[9. Consideration of the type of co-doped ions]
Here, we investigated the types of co-doped ions. Specifically, we investigated the photoluminescence and mechanoluminescence properties of samples prepared using various compounds in [1. Preparation of mechanoluminescent material by solid-state method], that is, samples using LiCl, Na2CO3 , K2CO3 , MgCO3 , CaCO3 , SrCO3 , BaCO3 , and H3BO3 instead of Li2CO3 , an alkali metal compound used as a co -doped ion supply compound in the solid-state standard method. The results are shown in Figure 13.
図13からも分かるように、フォトルミネッセンス及び応力発光ともに最も発光強度が高いのは、今回使用した化合物の中ではアルカリ金属イオンをリチウムイオンとし、アルカリ金属化合物としてLi2CO3を用いた場合であった。 As can be seen from FIG. 13, the highest luminescence intensity for both photoluminescence and stress-stimulated luminescence was obtained when, among the compounds used this time, the alkali metal ion was lithium ion and Li 2 CO 3 was used as the alkali metal compound.
これに対し、同じく共添加イオンをリチウムイオンとするが、使用するアルカリ金属化合物を塩化物とした場合や、共添加イオンをナトリウムイオンやカリウムイオンとした場合には、若干のML/PL強度低下がみられた。In contrast, when the co-doped ion was the same lithium ion but the alkali metal compound used was a chloride, or when the co-doped ion was a sodium ion or potassium ion, a slight decrease in ML/PL intensity was observed.
また、ここで着目すべき点として、それ以外の化合物を用いた試料、すなわち、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、H3BO3を用いた試料ではML/PL特性が見られなかったことが挙げられる。 Also, it is worth noting that the samples using other compounds, namely MgCO 3 , CaCO 3 , SrCO 3 , BaCO 3 and H 3 BO 3 , did not show ML/PL characteristics.
この点を考察するに、アルカリ金属元素が発光特性を持つことになったのは、その電荷が1+であることが要因の一つと考えられる。すなわち、Ndは3+の状態でZn2+と置換すると考えられるので、アルカリ金属元素は電荷保障の役割を果たすのに都合がよい。そして他の化合物を用いた場合はこの効果を得ることができないため、Nd3+がうまく置換できなかったのかもしれない。 Considering this point, one of the reasons why alkali metal elements have luminescence properties is thought to be that their charge is 1+. In other words, since Nd is thought to substitute for Zn 2+ in the 3+ state, alkali metal elements are convenient for playing the role of charge compensation. However, this effect cannot be obtained when other compounds are used, so Nd 3+ may not have been substituted well.
このことから、ZnOが応力発光特性を持つためには電荷保障の役割を果たす共添加元素の添加が必須であり、また、その影響は非常に大きいと言える。 From this, it can be said that in order for ZnO to have mechanoluminescent properties, the addition of a co-doping element that plays a role in charge compensation is essential, and that the effect of this is extremely large.
〔10.液相法による応力発光材料の調製〕
次に、本実施形態に係る液相反応法により、本実施形態に係る応力発光材料の調製を行った。
10. Preparation of mechanoluminescent material by liquid phase method
Next, the mechanoluminescent material according to the present embodiment was prepared by the liquid phase reaction method according to the present embodiment.
原料となる亜鉛化合物としてのZnCl2(和光純薬 98%)と、発光中心供給化合物としてのNd(NO3)3・6H2O(和光純薬 99.5%)と、共添加イオン供給化合物としてのアルカリ金属化合物であるLiCl(CERAC 99.8%)とを添加しイオン交換水を用いて任意の濃度の水溶液を調製した。本項での水溶液中におけるZnイオン濃度は0.025~0.1mol/L、Ndイオン濃度はZnイオンに対して0.5mol%、Liイオン濃度はZnイオンに対して0~2.4mol%で変化させた。 Aqueous solutions of arbitrary concentrations were prepared using ion-exchanged water by adding ZnCl 2 (Wako Pure Chemicals, 98%) as the zinc compound raw material, Nd(NO 3 ) 3 ·6H 2 O (Wako Pure Chemicals, 99.5%) as the luminescence center supply compound, and LiCl (CERAC, 99.8%), an alkali metal compound, as the co-additive ion supply compound. In this section, the Zn ion concentration in the aqueous solution was varied from 0.025 to 0.1 mol/L, the Nd ion concentration was varied from 0.5 mol% relative to the Zn ions, and the Li ion concentration was varied from 0 to 2.4 mol% relative to the Zn ions.
また、沈殿剤としてCO(NH2)2(和光純薬 99.9%)とCH3CSNH2(和光純薬 99.8%)を選択してZn濃度と同量添加した。 In addition, CO(NH 2 ) 2 (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%) and CH 3 CSNH 2 (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.8%) were selected as precipitants and added in the same amount as the Zn concentration.
合成はオートクレーブを用いて行い、温度95℃にて24時間水熱合成を行った。得られた沈殿物を吸引濾過し、70℃にて3時間の条件で乾燥を行った。次に、電気炉を使用し、粉砕混合物を600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃の各温度にて所定時間(例えば3~10時間、より具体的には4~6時間)にわたり大気雰囲気下にて焼成することで焼結させた。得られた焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、試料評価を行った。 Synthesis was carried out using an autoclave, and hydrothermal synthesis was carried out at a temperature of 95°C for 24 hours. The resulting precipitate was filtered by suction and dried at 70°C for 3 hours. Next, the crushed mixture was sintered in an electric furnace by firing it in air at temperatures of 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, and 1200°C for a specified time (for example, 3 to 10 hours, more specifically 4 to 6 hours). The resulting fired product was crushed in an agate mortar and sample evaluation was carried out.
次に、沈殿剤として尿素(CO(NH2)2)を用いた応力発光材料の製造方法について言及する。まず、本実施形態に係る液相法での反応について言及すると、水溶液とした尿素は70~80℃で加水分解をはじめ、90度以上で急激に分解が進む。また、アンモニアは水によく溶け、塩基性を示す。 Next, we will discuss a method for producing a mechanoluminescent material using urea (CO(NH 2 ) 2 ) as a precipitant. First, regarding the reaction in the liquid phase method according to this embodiment, urea in an aqueous solution starts to hydrolyze at 70-80°C, and decomposition progresses rapidly at 90°C or higher. Ammonia is also highly soluble in water and is alkaline.
一方、水溶液としたZnCl2はZn2+として液相に存在し、これは塩基性条件ではZn(OH)2として沈殿する。この時、Zn(OH)2が沈殿する際に周囲に存在するNd3+やLi+といったイオンを巻き込んで沈殿(共沈)することが多い。 On the other hand, ZnCl2 in an aqueous solution exists in the liquid phase as Zn2 + , which precipitates as Zn(OH) 2 under basic conditions. When Zn(OH) 2 precipitates, it often co-precipitates with surrounding ions such as Nd3 + and Li + .
よって沈殿剤として尿素を添加した液相では、70℃以上の加熱によってZn(OH)2の沈殿として取り出すことができる。また、液相全体が均一な温度であれば尿素や亜鉛等のイオンも均一に分散していると考えられる。よって得られた沈殿に存在する系は均一な固相となる。 Therefore, in the liquid phase to which urea has been added as a precipitant, it can be extracted as a precipitate of Zn(OH) 2 by heating to 70°C or higher. In addition, if the entire liquid phase is at a uniform temperature, it is thought that ions such as urea and zinc are also uniformly dispersed. Therefore, the system present in the obtained precipitate becomes a uniform solid phase.
得られたZn(OH)2は800℃以上の焼成によって酸化され、ZnOになる。この時、ある程度の低温であれば粒子形状を維持したままZnOになるため、任意の粒子形状のZnOを得ることができる。なお、以下の説明において、沈殿剤として尿素を用いる本実施形態に係る液相法を「本実施形態に係る尿素液相法」ともいう。 The obtained Zn(OH) 2 is oxidized by baking at 800°C or higher to become ZnO. At this time, if the temperature is low enough, ZnO can be obtained while maintaining its particle shape, so ZnO of any particle shape can be obtained. In the following description, the liquid phase method according to this embodiment using urea as a precipitant is also called the "urea liquid phase method according to this embodiment."
次に、沈殿剤としてチオアセトアミド(CH3CSNH2)を用いた応力発光材料の製造方法について述べる。 Next, a method for producing a stress-stimulated luminescent material using thioacetamide (CH 3 CSNH 2 ) as a precipitating agent will be described.
水溶液としたチオアセトアミドは70℃以上で加水分解し、硫化水素を放出する。ここで水溶液に存在するZn2+イオンは硫化水素と反応しZnSとして沈殿する。このとき前述の尿素と同様に、周囲のイオンを巻き込み均一な状態として沈殿する。ZnSは800℃以上の焼成によってZnOとなる。よって任意の形状を維持したZnO粒子を得ることができる。なお、以下の説明において、沈殿剤としてチオアセトアミドを用いる本実施形態に係る液相法を「本実施形態に係るチオアセトアミド液相法」ともいう。 The aqueous solution of thioacetamide is hydrolyzed at 70°C or higher, releasing hydrogen sulfide. Here, the Zn 2+ ions present in the aqueous solution react with hydrogen sulfide and precipitate as ZnS. At this time, like the above-mentioned urea, it precipitates in a uniform state by involving surrounding ions. ZnS becomes ZnO by baking at 800°C or higher. Therefore, ZnO particles that maintain any shape can be obtained. In the following description, the liquid phase method according to this embodiment using thioacetamide as a precipitant is also referred to as the "thioacetamide liquid phase method according to this embodiment."
〔11.尿素液相法にて得た応力発光材料のXRD解析〕
本実施形態に係る尿素液相法により得られた試料について、粉末X線回折装置(XRD)で結晶相の同定を行った。沈殿剤として尿素を用いた液相法を行うにあたり、共添加イオン(ここでは、アルカリ金属イオンであるLiイオン)を水溶液中に存在させた場合と、させなかった場合におけるXRD回折パターンを図14に示す。
[11. XRD analysis of mechanoluminescent materials obtained by urea liquid phase method]
The crystal phase of the sample obtained by the urea liquid phase method according to this embodiment was identified by a powder X-ray diffractometer (XRD). Figure 14 shows the XRD diffraction patterns of the samples obtained by the liquid phase method using urea as a precipitant, with and without the presence of co-additive ions (here, Li ions, which are alkali metal ions) in the aqueous solution.
XRD測定により全ての合成物質は、ZnO(PDF_01-078-3322)酸化亜鉛六方晶単相であることが示された。また、共添加イオン(アルカリ金属イオン)を添加したZnOはC軸の強い配向が見られた。 XRD measurements showed that all the synthesized materials were ZnO (PDF_01-078-3322) single-phase hexagonal zinc oxide. In addition, ZnO doped with co-doped ions (alkali metal ions) showed strong C-axis orientation.
〔12.尿素液相法にて得た応力発光材料の検鏡〕
次に、沈殿剤として尿素を用いた液相法を行うにあたり、共添加イオン(ここでは、アルカリ金属イオンであるLiイオン)を水溶液中に存在させた場合と、させなかった場合で得られた試料について、走査型電子顕微鏡による観察を行った。図15(a)は共添加イオン無添加の試料のSEM像であり、図15(b)は共添加イオンを添加した場合の試料のSEM像である。
[12. Microscopic examination of mechanoluminescent material obtained by urea liquid phase method]
Next, in performing the liquid phase method using urea as a precipitant, the samples obtained with and without the presence of co-additive ions (here, Li ions, which are alkali metal ions) in the aqueous solution were observed using a scanning electron microscope. Figure 15(a) is an SEM image of a sample without co-additive ions, and Figure 15(b) is an SEM image of a sample with co-additive ions added.
図15(a)を参照すると分かるように、共添加イオン無添加のZnOは不定形であり、粒径は1~5μmとバラバラであった。それに対し、図15(b)に示すように、共添加イオンを添加したC軸配向のあるZnOは層状粒子であり、この歪みやすい形状は応力発光に有利であると考えられる。 As can be seen from Fig. 15(a), ZnO without co-doped ions was amorphous, with particle sizes ranging from 1 to 5 μm. In contrast, as shown in Fig. 15(b), ZnO with co-doped ions and C-axis orientation was layered particles, and this easily distorted shape is thought to be advantageous for mechanoluminescence.
〔13.Zn濃度に対するML/PL強度の検討〕
次に、本実施形態に係る尿素液相法にて得た応力発光材料のML/PL強度に関し、水溶液中のZn濃度を変化させた場合の影響について検討を行った。図16は、水溶液中のZn濃度を0.1, 0.125, 0.3, 0.5mol/Lとした場合の尿素液相法にて得た応力発光材料の応力発光及びフォトルミネッセンスの強度を示すグラフである。なお、このグラフは先述の固相基準製法により得られた試料のPL/ML強度を100としている。
[13. Examination of ML/PL intensity as a function of Zn concentration]
Next, the influence of changing the Zn concentration in the aqueous solution on the ML/PL intensity of the stress-stimulated luminescent material obtained by the urea liquid phase method according to the present embodiment was examined. Fig. 16 is a graph showing the intensities of stress-stimulated luminescence and photoluminescence of the stress-stimulated luminescent material obtained by the urea liquid phase method when the Zn concentration in the aqueous solution is 0.1, 0.125, 0.3, and 0.5 mol/L. Note that the PL/ML intensity of the sample obtained by the solid-phase reference method described above is taken as 100 in this graph.
本発明者らの経験上、液相法では、Zn濃度が高すぎると沈殿が一斉に短時間で起こるため、粒形制御には悪影響を及ぼす傾向があることがわかっている。そのため今回はZn濃度を最大で0.5Mとしたが、フォトルミネッセンス特性はZn濃度が高いほうが弱いという結果が得られた。 The inventors' experience shows that in the liquid phase method, if the Zn concentration is too high, precipitation occurs all at once in a short period of time, which tends to have a negative effect on particle shape control. For this reason, the Zn concentration was set to a maximum of 0.5M in this study, but the results showed that the photoluminescence properties were weaker at higher Zn concentrations.
これに対し、Zn濃度との明確な相関は確認できないものの、0.1Mを超えるZn濃度で応力発光が見られることが確認された。In contrast, although no clear correlation with Zn concentration could be confirmed, it was confirmed that mechanoluminescence was observed at Zn concentrations exceeding 0.1 M.
〔14.チオアセトアミド液相法にて得た応力発光材料のXRD解析〕
本実施形態に係るチオアセトアミド液相法により得られた試料について、粉末X線回折装置(XRD)で結晶相の同定を行った。沈殿剤としてチオアセトアミドを用いた液相法を行うにあたり、共添加イオン(ここでは、アルカリ金属イオンであるLiイオン)を水溶液中に存在させた場合と、させなかった場合におけるXRD回折パターンを図17に示す。
[14. XRD analysis of mechanoluminescent materials obtained by the thioacetamide liquid phase method]
The crystal phase of the sample obtained by the thioacetamide liquid phase method according to this embodiment was identified by a powder X-ray diffractometer (XRD). Figure 17 shows the XRD diffraction patterns of the samples obtained by the liquid phase method using thioacetamide as a precipitant, with and without the presence of co-additive ions (here, Li ions, which are alkali metal ions) in the aqueous solution.
図17に示すように、尿素液相法の場合と比較して、沈殿剤にチオアセトアミドを用いた場合、共添加イオン無添加のZnOは結晶構造に大きな変化が見られた。共添加イオン無添加の場合は結晶性が向上し、さらに(100)面と(002)面に強い配向が見られた。As shown in Figure 17, when thioacetamide was used as the precipitant, a large change in the crystal structure of ZnO without co-added ions was observed compared to the urea liquid phase method. When no co-added ions were added, the crystallinity improved, and strong orientation was observed in the (100) and (002) planes.
これに対し、共添加イオンを添加した場合、固相合成と同様な六方晶と一致するXRDスペクトルとなった。In contrast, when co-doped ions were added, the XRD spectrum showed a hexagonal crystal structure similar to that obtained with solid-phase synthesis.
〔15.チオアセトアミド液相法にて得た応力発光材料の検鏡〕
次に、沈殿剤としてチオアセトアミドを用いた液相法を行うにあたり、共添加イオン(ここでは、アルカリ金属イオンであるLiイオン)を水溶液中に存在させた場合と、させなかった場合で得られた試料について、走査型電子顕微鏡による観察を行った。図18(a)は共添加イオン無添加の試料のSEM像であり、図18(b)は共添加イオンを添加した場合の試料のSEM像である。
[15. Microscopic examination of mechanoluminescent material obtained by thioacetamide liquid phase method]
Next, in performing the liquid phase method using thioacetamide as a precipitant, the samples obtained with and without the presence of co-additive ions (here, Li ions, which are alkali metal ions) in the aqueous solution were observed using a scanning electron microscope. Figure 18(a) is an SEM image of a sample without co-additive ions, and Figure 18(b) is an SEM image of a sample with co-additive ions added.
図18(a)から分かるように、共添加イオン無添加の粒子はSEM測定により、綺麗な六角柱状の粒子が観察された。As can be seen from Figure 18 (a), SEM measurements showed that the particles without co-added ions had beautiful hexagonal columnar particles.
これに対し、共添加イオンを添加した液相合成のZnO粒子は六角柱状の粒子が崩れているような形状をしている。In contrast, ZnO particles synthesized in the liquid phase and containing co-doped ions have a shape that resembles a collapsed hexagonal columnar particle.
〔16.両液相法についての考察〕
図19に、両液相法にて得られた応力発光材料のフォトルミネッセンススペクトルを示す。図19から分かるように、共添加イオンの添加がない場合、Nd3+がうまく置換できなくなるため、PL特性をほとんど示さなかった。
[16. Considerations regarding the two-phase method]
The photoluminescence spectra of the mechanoluminescent materials obtained by both liquid phase methods are shown in Figure 19. As can be seen from Figure 19, when no co-doped ions were added, Nd 3+ could not be substituted well, and almost no PL characteristics were observed.
また、共添加イオンを添加したチオアセトアミド液相合成によるZnOは、わずかながらPL特性を示したものの、その強度は微弱なものであった。In addition, ZnO synthesized by liquid phase synthesis using thioacetamide and co-doped ions showed slight PL properties, but the intensity was weak.
なお、尿素を用いた場合のPL強度の方が強いことから、沈殿剤によって共存イオンの沈殿確率が異なることが予想される。尿素は水酸化亜鉛として、チオアセトアミドは硫化亜鉛として沈殿するが、水酸化亜鉛の方が構造的に周囲のイオンを巻き込んで沈殿させる能力が高かったと考えられる。図20の左図に水酸化亜鉛、右図に硫化亜鉛の構造を示す。Since the PL intensity is stronger when urea is used, it is expected that the precipitation probability of coexisting ions will differ depending on the precipitant. Urea precipitates as zinc hydroxide, and thioacetamide precipitates as zinc sulfide, but it is thought that zinc hydroxide has a greater ability to precipitate by involving surrounding ions structurally. The structure of zinc hydroxide is shown on the left in Figure 20, and zinc sulfide on the right.
〔17.固相法の焼成温度が応力発光強度に与える影響〕
固相法の焼成温度が応力発光強度に与える影響について検討を行った。具体的には、調製した試料をZnO0.994Nd0.006Li0.006とした他は、固相基準製法に準じて試料の調製を行った。焼成にはAl2O3製るつぼを使い、空気中において900℃~1300℃、必要に応じ更に高い1500℃までの温度にて焼結させた。
[17. Effect of the baking temperature in the solid-phase method on mechanoluminescence intensity]
We investigated the effect of the firing temperature of the solid-state method on mechanoluminescence intensity. Specifically, the samples were prepared according to the standard solid-state method, except that the sample was ZnO 0.994 Nd 0.006 Li 0.006. For firing, an Al 2 O 3 crucible was used, and the samples were sintered in air at temperatures between 900°C and 1300°C, or even higher temperatures up to 1500°C if necessary.
各焼成温度でのZnO0.994Nd0.006Li0.006のXRD回折パターンを図21に示す。どの焼成温度においてもZnO (PDF_01-078-3322)単相が得られた。焼成温度変化によりXRD回折パターンは明確なピークシフトを見せた。低角側にシフトしていることから格子の増大が考えられる。 The XRD diffraction patterns of ZnO 0.994 Nd 0.006 Li 0.006 at each firing temperature are shown in Figure 21. A single phase of ZnO (PDF_01-078-3322) was obtained at every firing temperature. The XRD diffraction pattern showed a clear peak shift due to the change in firing temperature. The shift to the lower angle side is thought to be due to an increase in the lattice.
またこの時のML、PL強度の焼成温度依存性を記録した。図22に示すように、900℃、1000℃では、ML、PLともに低く、1100℃以降の高温にて両者顕著に高い値を示した。なお、焼成温度を1000℃とした際のML(応力発光強度)は0ではなく、僅かながらではあるが発光している。The dependence of ML and PL intensities on the firing temperature was also recorded. As shown in Figure 22, both ML and PL were low at 900℃ and 1000℃, but both showed significantly higher values at higher temperatures from 1100℃ onwards. Note that the ML (stimulated luminescence intensity) at a firing temperature of 1000℃ was not 0, and light was emitted, albeit slightly.
また、他のアルカリ金属元素K、Naにおいても同様の手法により、900℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃の温度設定にて焼成温度依存性の実験を行った。図23に示すように、ML中心発光にて比較を行うと、基本的にはLiと同じ傾向にあることがわかった。なお、焼成温度を1000℃とした際のLiにおける発光強度は0ではなく、僅かながらではあるが発光している。なお、先の図22は最大値を100に規格化したグラフであり、図23は規格化していないグラフを示している。 In addition, similar experiments were conducted on the sintering temperature dependence of other alkali metal elements K and Na at temperatures of 900°C, 1000°C, 1020°C, 1040°C, 1060°C, 1080°C, 1100°C, 1200°C, 1300°C, 1400°C, and 1500°C. As shown in Figure 23, a comparison of ML center emission showed that the results were basically the same as those of Li. Note that the emission intensity of Li at a sintering temperature of 1000°C is not 0, and it emits light, albeit slightly. Note that Figure 22 above is a graph normalized to the maximum value of 100, while Figure 23 shows an unnormalized graph.
また、データを示した説明は割愛するが、〔1.固相法による応力発光材料の調製〕において600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃の各温度にて焼成した応力発光材料ZnO:Nd3+ 0.006,Li+ 0.006については、600℃や650℃では応力発光は見られなかったが、700℃以上の焼成温度であれば応力発光が観察され、900℃~1500℃の温度では、大凡上述の応力発光材料と同様の結果であった。 In addition, although an explanation showing the data is omitted, in [1. Preparation of Stress-Stimulated Luminescent Material by Solid-Phase Method], for the stress-stimulated luminescent material ZnO:Nd 3+ 0.006 ,Li + 0.006 sintered at temperatures of 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, and 1200°C, stress-stimulated luminescence was not observed at 600°C or 650°C, but was observed at sintering temperatures of 700°C or higher, and at temperatures between 900°C and 1500°C, the results were roughly similar to those of the stress-stimulated luminescent material described above.
これらの結果から、ZnO:Nd3+は1100℃以上の焼成によりML強度が大きく向上し、1400℃以降は減少すること、また、焼成温度の下限値は700℃以上、より好ましくは900℃以上、更に好ましくは1020℃以上であり、焼成温度の上限値は、1500℃以下、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1300℃以下であり、これら上限値及び下限値のいずれかの組み合わせの温度帯にて焼成することで、安定した応力発光を示す応力発光材料を製造することが可能であることが示された。 These results show that the ML intensity of ZnO:Nd 3+ is significantly improved by firing at 1100°C or higher and decreases above 1400°C. In addition, the lower limit of the firing temperature is 700°C or higher, more preferably 900°C or higher, and even more preferably 1020°C or higher, and the upper limit of the firing temperature is 1500°C or lower, preferably 1400°C or lower, and more preferably 1300°C or lower. It is possible to produce a stress-stimulated luminescent material that exhibits stable stress-stimulated luminescence by firing at a temperature range that is any combination of these upper and lower limits.
〔18.ZnO:Lix,Nd0.006にてLiイオン濃度を変化させた際の応力発光の有無〕
次に、ZnO:Lix,Nd0.006にて、共添加イオンであるLiイオンの濃度を0から0.7まで変化させた際の応力発光の有無について確認を行った。その結果を図24に示す。
[18. Presence or absence of mechanoluminescence when changing the Li ion concentration in ZnO:Li x ,Nd 0.006]
Next, in ZnO:Li x ,Nd 0.006 , the presence or absence of mechanoluminescence was confirmed when the concentration of Li ions, which are co-doped ions, was changed from 0 to 0.7. The results are shown in FIG.
図24から分かるように、xの値を0とした場合は近赤外域(>750nm)における応力発光は確認されなかったが、Liイオンを添加した場合、xの値が最大0.7に至るまで、近赤外域(>750nm)において応力発光が確認された。As can be seen from Figure 24, when the value of x was set to 0, no stress-induced luminescence was observed in the near-infrared region (>750 nm); however, when Li ions were added, stress-induced luminescence was observed in the near-infrared region (>750 nm) up to a maximum value of x of 0.7.
〔19.ZnO:Lix,NdyにてLi濃度やNd濃度を変化させた際の応力発光の有無〕
次に、ZnO:Lix,Ndyにて、共添加イオンであるLiイオンの濃度や発光中心イオンであるNdイオンの濃度を種々変化させた際の応力発光の有無について確認を行った。その結果を図25に示す。
[19. Presence or absence of mechanoluminescence when changing the Li concentration or Nd concentration in ZnO:Li x ,Nd y]
Next, in ZnO:Li x ,Nd y , the presence or absence of mechanoluminescence was confirmed when the concentration of the co-doped Li ions and the concentration of the luminescent center Nd ions were variously changed. The results are shown in FIG.
図25から分かるように、いずれの材料においても、近赤外域(>750nm)において応力発光が確認された。As can be seen from Figure 25, stress-induced luminescence was observed in the near-infrared range (>750 nm) for all materials.
〔20.共添加イオンとしてLiとBaのイオンを添加した場合の応力発光の有無〕
次に、複数の共添加イオンが存在する場合における応力発光の有無について検討を行った。特に本検討では代表例として、共添加イオンをLiイオンとBaイオンの2種類とし、発光中心イオンをNdイオンとし、LiイオンとNdイオンの濃度を0.6mol%に固定し、Baイオンの濃度を変化させた場合について確認を行った。
[20. Presence or absence of mechanoluminescence when Li and Ba ions are added as co-doped ions]
Next, we investigated whether mechanoluminescence occurs when multiple co-doped ions are present. In particular, in this study, as a representative example, we used two types of co-doped ions, Li ion and Ba ion, and the luminescence center ion was Nd ion, and we fixed the concentrations of Li ion and Nd ion at 0.6 mol% and changed the concentration of Ba ion.
なお、これまでのように共添加イオンや発光中心イオンがそれぞれ1種類の場合はZnO:ExMyの形式で表現して説明してきたが、本検討の如く共添加イオンが複数種、例えば2種類の場合も同様であって、Ex=E1x1,E2x2、x=x1+x2と解することができ、例えば発光中心イオンが3種類の場合はMy=M1y1,M2y2,M3y3、y=y1+y2+y3と解すべきである。すなわち、本検討ではE1x1=Li0.006、E2x2=Bax2、My=Nd0.006であり、x2の値を0~0.05の範囲で変化させて応力発光の有無を確認している。 In the above, when there is one type of co-doped ion or one type of luminescence center ion, the formula is expressed as ZnO:E x M y , but when there are multiple types of co-doped ions, for example, two types, as in this study, the formula is the same and E x = E1 x1 , E2 x2 , x = x1 + x2, and when there are three types of luminescence center ions, M y = M1 y1 , M2 y2, M3 y3 , y = y1 + y2 + y3. In other words, in this study, E1 x1 = Li 0.006 , E2 x2 = Ba x2 , M y = Nd 0.006 , and the presence or absence of mechanoluminescence was confirmed by changing the value of x2 in the range of 0 to 0.05.
その結果、図26に示すように、Baイオンの濃度を0~0.05の範囲で変化させたいずれの材料においても、近赤外域(>750nm)において応力発光が確認された。As a result, as shown in Figure 26, stress-induced luminescence was confirmed in the near-infrared range (>750 nm) in all materials in which the Ba ion concentration was changed in the range of 0 to 0.05.
〔21.共添加イオンをLi以外のアルカリ金属イオンとした場合の応力発光の有無〕
次に、共添加イオンをLi以外のアルカリ金属イオン、ここではNaイオンやKイオン、Rbイオン、Csイオンとした場合における応力発光の有無について検討を行った。特に本検討では代表例として、発光中心イオンを0.6mol%のNdイオンとし、共添加イオンを0.2mol%のNaイオン、Kイオン、Rbイオン又はCsイオンとした場合について確認を行った。
[21. Whether or not mechanoluminescence occurs when co-doped ions are alkali metal ions other than Li]
Next, we investigated whether mechanoluminescence occurs when the co-doped ions are alkali metal ions other than Li, such as Na, K, Rb, or Cs ions. In particular, we investigated the cases where the luminescent center ion is 0.6 mol% Nd ion and the co-doped ion is 0.2 mol% Na, K, Rb, or Cs ion, as a representative example.
その結果、図27に示すように、共添加イオンをNaイオン、Kイオン、Rbイオン又はCsイオンのいずれとした場合においても、近赤外域(>750nm)において応力発光が確認された。As a result, as shown in Figure 27, stress-induced luminescence was confirmed in the near-infrared region (>750 nm) regardless of whether the co-doped ions were Na ions, K ions, Rb ions, or Cs ions.
〔22.発光中心イオンとして、Ndイオンと共に他の元素イオンを添加した場合の応力発光の有無〕
次に、複数の発光中心イオンが存在する場合における応力発光の有無について検討を行った。特に本検討では代表例として、共添加イオンを10mol%のLiイオンとし、発光中心イオンについては、第1の発光中心イオンを0.4mol%のNdイオンとし、第2の発光中心イオンを0.4mol%のCr(クロム), Mn(マンガン), Cu(銅), Ag(銀), Ce(セリウム), Pr(プラセオジム), Sm(サマリウム), Eu(ユウロピウム), Tb(テルビウム), Yb(イッテルビウム)から選ばれるいずれか1種のイオンとした場合について確認を行った。
[22. Presence or absence of mechanoluminescence when other element ions are added together with Nd ions as the luminescence center ions]
Next, we investigated whether mechanoluminescence occurs when multiple luminescence center ions are present. In particular, in this study, as a representative example, we confirmed the presence or absence of mechanoluminescence in the case where the co-doped ion is 10 mol% Li ion, the first luminescence center ion is 0.4 mol% Nd ion, and the second luminescence center ion is 0.4 mol% of any one of ions selected from Cr (chromium), Mn (manganese), Cu (copper), Ag (silver), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Sm (samarium), Eu (europium), Tb (terbium), and Yb (ytterbium).
その結果、図28に示すように、第2の発光中心イオンをいずれの場合としても、可視領域(≦750nm)において応力発光が確認された。また、Mn, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybの各イオンについては、近赤外域(>750nm)においても応力発光が確認された。As a result, as shown in Figure 28, regardless of the second luminescence center ion, mechanoluminescence was confirmed in the visible region (≦750 nm). In addition, for each of the Mn, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb ions, mechanoluminescence was also confirmed in the near-infrared region (>750 nm).
〔23.NdイオンやYbイオン又はTbイオンの添加濃度を変化させた場合の応力発光の有無〕
次に、上記〔22.発光中心イオンとして、Ndイオンと共に他の元素イオンを添加した場合の応力発光の有無〕において検討したYb又はTbについて、第1の発光中心イオン(Ndイオン)の濃度や、第2の発光中心イオン(Ybイオン又はTbイオン)の濃度を変化させた場合の近赤外領域における応力発光の有無について確認を行った。
23. Whether or not mechanoluminescence occurs when the concentration of Nd, Yb, or Tb ions is changed
Next, for Yb or Tb examined in the above section [22. Presence or absence of mechanoluminescence when other element ions are added together with Nd ions as luminescence center ions], the presence or absence of mechanoluminescence in the near infrared region was confirmed when the concentration of the first luminescence center ion (Nd ion) and the concentration of the second luminescence center ion (Yb ion or Tb ion) were changed.
特に本検討では代表例として、共添加イオンを10mol%のLiイオンとし、発光中心イオンについては、第1の発光中心イオンを0.2mol%のNdイオンとし、第2の発光中心イオンを0.6mol%のYbイオンとした場合について確認を行った。また、共添加イオンを10mol%のLiイオンとし、発光中心イオンについては、第1の発光中心イオンを0.6mol%のNdイオンとし、第2の発光中心イオンを0.2mol%のTbイオンとした場合についても確認を行った。In particular, in this study, as a representative example, the case where the co-doped ion is 10 mol% Li ion, the first luminescent center ion is 0.2 mol% Nd ion, and the second luminescent center ion is 0.6 mol% Yb ion was confirmed. In addition, the case where the co-doped ion is 10 mol% Li ion, the first luminescent center ion is 0.6 mol% Nd ion, and the second luminescent center ion is 0.2 mol% Tb ion was also confirmed.
その結果、図29に示すように、第2の発光中心イオンをYbイオン又はTbイオンのいずれの場合としても、近赤外域(>750nm)においても応力発光が確認された。As a result, as shown in Figure 29, stress-induced luminescence was confirmed even in the near-infrared range (>750 nm) regardless of whether the second luminescent center ion was a Yb ion or a Tb ion.
上述してきたように、本発明に係る応力発光材料によれば、ZnOにアルカリ金属イオンと発光中心イオンとが固溶してなることとしたため、ZnOを母体材料とする応力発光材料を提供することができる。As described above, the stress-stimulated luminescent material of the present invention is formed by dissolving alkali metal ions and luminescent center ions in ZnO, so that it is possible to provide a stress-stimulated luminescent material using ZnO as the base material.
最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。Finally, the above-mentioned embodiments are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments. Therefore, even if the embodiments are different from those described above, various modifications can be made depending on the design, etc., as long as they do not deviate from the technical concept of the present invention.
Claims (2)
前記発光中心イオンは、Ndのイオン又はNdのイオン及びCr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybから選ばれるいずれか1つの元素のイオンであり、
前記共添加イオンは、Li, Na, K, Rb, Csから選ばれるいずれか1つの元素のイオン又はLi及びBaのイオンであり、
前記応力発光材料は、一般式ZnO:E x M y (ただし、Eは前記共添加イオンであり、Mは前記発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることを特徴とするZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法。 A method for producing a stress- stimulated luminescent material using ZnO as a base material, comprising mixing a zinc compound, a luminescence center supplying compound which supplies luminescence center ions , and a predetermined co-doped ion supplying compound which supplies co-doped ions, and firing the mixture (excluding a mixture containing a solid protective agent which is melted by heating to isolate a reaction system from an oxidizing atmosphere) in an oxidizing atmosphere,
the luminescence center ion is a Nd ion or a Nd ion and an ion of any one element selected from the group consisting of Cr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb;
The co-doped ion is an ion of any one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, or an ion of Li and Ba,
The method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material is characterized in that the stress-stimulated luminescent material has a composition represented by the general formula ZnO:E x M y (wherein E is the co-doped ion and M is the luminescent center ion), where x = 0.0001 to 0.7 and y = 0.001 to 0.2.
前記発光中心イオンは、Ndのイオン又はNdのイオン及びCr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Ybから選ばれるいずれか1つの元素のイオンであり、
前記共添加イオンは、Li, Na, K, Rb, Csから選ばれるいずれか1つの元素のイオン又はLi及びBaのイオンであり、
前記応力発光材料は、一般式ZnO:E x M y (ただし、Eは前記共添加イオンであり、Mは前記発光中心イオン。)で表される組成を有し、x=0.0001~0.7であって、y=0.001~0.2であることを特徴とするZnOを母体材料とした応力発光材料の製造方法。 A method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material, comprising the steps of: making an aqueous solution containing zinc ions, in which a luminescent center ion and a predetermined co-doped ion are present, basic , or reacting said aqueous solution with a sulfide, coprecipitating said co-doped ion and luminescent center ion with zinc hydroxide or zinc sulfide, and firing said coprecipitate (excluding those containing a solid protective agent which is melted by heating and isolates a reaction system from an oxidizing atmosphere) in an oxidizing atmosphere,
the luminescence center ion is a Nd ion or a Nd ion and an ion of any one element selected from the group consisting of Cr, Mn, Cu, Ag, Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, and Yb;
The co-doped ion is an ion of any one element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, or an ion of Li and Ba,
The method for producing a stress-stimulated luminescent material using ZnO as a base material is characterized in that the stress-stimulated luminescent material has a composition represented by the general formula ZnO:E x M y (wherein E is the co-doped ion and M is the luminescent center ion), where x = 0.0001 to 0.7 and y = 0.001 to 0.2.
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