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結晶がコントロールする光

2017年7月21日
山梨大学 工学部
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 水晶の産地である山梨県では宝飾産業や宝石に関する研究が盛んです。山梨大学でも水晶やエメラルドといった宝石の育成に関する研究を行ってきました。一部の宝石は原子が周期的に並んでできた結晶に分類されることから、現在は宝石の育成技術を発展させて、超電導結晶や半導体結晶、光を発する結晶など役に立つ結晶の開発を行っています。

 世の中にある物質は原子が集まってできています。原子は原子核と複数の電子からできていて、電子の数により性質が異なります。エネルギーを与えると光る原子なども存在し、お祭りなどであげられる花火が夜空で色鮮やかに光るのも、原子が光る性質を利用しています。 この光る原子(もしくはイオン)を結晶中に埋め込んでできた材料が蛍光体とよばれる光る結晶です。紫外線を蛍光体にあてた際に様々な色の光を発する様子を、夜空をとぶ蛍が光るようすになぞらえてこのようによんでいます。蛍光体は光の色を自在に変化させることもできるため、テレビなどのディスプレイ装置やLED電球などの白色光源に使用されています。

 写真は希土類金属イオンの一種であるEU2+イオンを埋め込んでできた蛍光体結晶の写真です。紫外線をあてることで緑色に光っている様子がみえると思います。興味深いのは、どの結晶も同じ濃度のEU2+イオンを含んでいるはずなのに、蛍光の明るさや色合いが異なる点です。これは結晶中の原子の並び方に応じて、EU2+イオンが発する光が変化するためです。このようすからもわかるように、蛍光体に関する研究は結晶と深い関係があります。蛍光に限らず、物質のもつ様々な性質(物性といいます)を原子の並び方から理解する研究は、材料の開発において不可欠なものとなっています。

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