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東京大学 大学院工学系研究科 総合研究機構の幾原雄一教授、柴田直哉准教授らの研究グループは、京都大学（田中功教授、大場史康准教授）および（独）物質?材料研究機構（谷口尚 グループリーダー）と共同で、代表的な超硬質材料である立方晶窒化ホウ素に希土類元素（Ce: セリウム）の極微量添加により発現する青色発光が、原子レベルで制御されたCeと原子空孔からなる複合点欠陥に起因することを明らかにしました。

肠-叠狈结晶中の颁别原子を捉えた原子分解能厂罢贰惭像
© Ryo Ishikawa

紫外?可视光领域での発光材料として希土类元素はよく用いられますが、必ずしもすべての材料に添加できるわけではありません。特に立方晶窒化ホウ素は、原子サイズの小さな軽元素から构成される高密度物质（ダイヤモンドに次ぐ硬度）であるため、原子サイズの大きな希土类元素の添加は极めて困难と考えられてきました。しかし、本研究では、物质?材料研究机构の最新技术、超高圧を利用して高密度物质の微细构造制御を目指すナノテクノロジーにより、希土类添加に最适な溶媒および高温高圧条件（1,500度、55,000気圧）を见出し、青色発光特性を有するセリウム添加-立方晶窒化ホウ素の単结晶を合成することに成功しました。今回添加されたセリウム原子を、最先端の収差补正走査透过型电子顕微镜によって直接観察するとともに、スーパーコンピューターを用いた理论计算により、セリウム原子は単纯な原子置换ではなく周囲に4つの原子空孔を导入し十分な空间を得ることで置换が可能となったことを初めて明らかにしました。すなわち、立方晶窒化ホウ素に添加されたセリウム原子は复雑な复合欠陥を形成し、これが青色発光の起源になっていることを世界に先駆けて発见しました。

论文情报

Ryo Ishikawa, Naoya Shibata, Fumiyasu Oba, Takashi Taniguchi,
Scott D. Findlay, Isao Tanaka and Yuichi Ikuhara,
“Functional Complex Point-Defect Structure in a Huge-Size-Mismatch System”,
Phys. Rev. Lett. 110, 065504 (2013). doi: 10.1103/PhysRevLett.110.065504.

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