JP2006152089A - Luminescent material, piezoelectric body, electrostriction body, ferroelectric body, electroluminescent body, stress luminescent body, and manufacturing process of these - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new luminescent material which emits light by deformation caused by externally imposed mechanical forces such as friction, shear, and impact. <P>SOLUTION: The luminescent material contains mixed crystals in which more than one crystal structure exists such as a crystal having at least two or more crystal structures out of zinc oxide sulfide of a wurtzite mineral structure, zinc sulfide of a cubic crystal or a wurtzite mineral structure and manganese oxide of a cubic crystal and a crystal expressed by general formulas: (Ca<SB>1-x</SB>A'<SB>x</SB>)<SB>y</SB>Ba<SB>1-y</SB>TiO<SB>3</SB>, (Mg<SB>1-x</SB>A'<SB>x</SB>)<SB>y</SB>Ba<SB>1-y</SB>TiO<SB>3</SB>, and (Sr<SB>1-x</SB>A'<SB>x</SB>)yBa<SB>1-y</SB>TiO<SB>3</SB>(0.0001≤x≤0.05: 0.005≤y≤0.995: A' is a rare earth element selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, and Er). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、機械的な外力が加えられることにより発光する、新規な発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、応力発光体、及びこれらの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a novel light-emitting material, piezoelectric body, electrostrictive body, ferroelectric body, electroluminescent body, stress light-emitting body, and methods for producing them, which emit light when mechanical external force is applied.

外部から刺激を与えることにより光を発する現象が、従来、蛍光現象としてよく知られている。この蛍光を発する蛍光体は、照明灯、ディスプレイなどを始めとする幅広い範囲で利用されている。蛍光体を発光させる外部刺激としては、紫外線、電子線、X線、放射線、電界、化学反応などが挙げられる。近年、本発明の発明者らによって、機械的な外力が加えられることにより、発光する応力発光材料やその評価方法が開発されている。   The phenomenon of emitting light by applying an external stimulus is well known as a fluorescence phenomenon. The fluorescent substance that emits fluorescence is used in a wide range including illumination lamps and displays. Examples of the external stimulus that causes the phosphor to emit light include ultraviolet rays, electron beams, X-rays, radiation, electric fields, and chemical reactions. In recent years, the inventors of the present invention have developed stress-stimulated luminescent materials that emit light when mechanical external force is applied and evaluation methods thereof.

具体的には、スピネル構造、コランダム構造やβアルミナ構造の応力発光材料(特許文献1参照)、ケイ酸塩の応力発光材料(特許文献2参照)、欠陥制御型アルミン酸塩の高輝度応力発光体(特許文献3参照)、多色型応力発光材料(特許文献4参照)、エポキシ樹脂を含む複合材料及び当該複合材料の塗布膜により作製した試験片に、圧縮、引張、摩擦、ねじりなどの機械的な力を印加することによって、応力発光特性を評価する方法(特許文献5参照)、ウルツ鉱型構造とせん亜鉛鉱型構造が共存する構造をもつ、酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物を主成分として構成される高輝度メカノルミネッセンス材料(特許文献6参照)等を開発している。   Specifically, a stress light-emitting material having a spinel structure, a corundum structure, or a β-alumina structure (see Patent Document 1), a stress light-emitting material of a silicate (see Patent Document 2), and a high-intensity stress light emission of a defect-controlled aluminate A test piece made of a body (see Patent Document 3), a multicolor stress-stimulated luminescent material (see Patent Document 4), a composite material containing an epoxy resin, and a coating film of the composite material, such as compression, tension, friction, torsion, etc. A method of evaluating stress luminescence characteristics by applying mechanical force (see Patent Document 5), an oxide, sulfide, selenide having a structure in which a wurtzite structure and a zincblende structure coexist, A high-luminance mechanoluminescence material (see Patent Document 6) composed mainly of telluride has been developed.

上記の応力発光体は、肉眼でも確認できる程の輝度で、半永久的に繰り返し発光することが可能なものである。そして、これらの応力発光材料を用いることにより、構造体における応力分布を測定することが可能となる。このような測定方法としては、例えば、応力発光体を用いて応力又は応力分布を測定する方法、及び、測定システム(特許文献7参照)、機械的な外力を直接光信号に変換して伝達する発光ヘッド、及びこれを用いた遠隔スイッチシステム(特許文献8参照)などが挙げられる。   The stress-stimulated illuminant can emit light repeatedly semipermanently with a luminance that can be confirmed with the naked eye. And it becomes possible to measure the stress distribution in a structure by using these stress luminescent materials. As such a measuring method, for example, a method of measuring stress or stress distribution using a stress illuminator, and a measuring system (see Patent Document 7), a mechanical external force is directly converted into an optical signal and transmitted. A light emitting head, a remote switch system using the light emitting head, and the like (see Patent Document 8) and the like can be mentioned.

また、チタン酸バリウム(BaTiO)系の蛍光物質に関しては、Pr,Alを添加したチタン酸ストロンチウムにプラセオジムイオンを添加したもの(SrTiO:Pr3+)にアルミニウム(Al)を加えた赤色発光体(非特許文献1参照)、チタン酸カルシウム(CaTiO)にプラセオジムイオンを添加したもの(非特許文献2参照)、チタン酸バリウム(BaTiO)にCaOを添加したもの(非特許文献3参照)、及び、(Ba0.90Ca0.10)(Ti0.75Zr0.25)O(非特許文献4参照)等について報告がなされている。
特開2000−119647(2000年4月25日公開) 特開2000−313878(2000年11月14日公開) 特開2001−49251(2001年2月20日公開) 特開2002−194349(2002年7月10日公開) 特開2003−292949(2003年10月15日公開) 特開2004−43656(2004年2月12日公開) 特開2001−215157(2001年8月10日公開) 特開2004−77396(2004年3月11日公開) Shinji Okamotoら著,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,VOLUME 86,NUMBER10,5594p-5597p,1999年11月15日,American Institute of Physics P.T. Dialloら著,Journal of Alloys and Compounds 323-324(2001),218p-222p,ELSEVIER Tsai-Faら著、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,VOLUME 67,NUMBER15,1042p-1047p,1990年1月15日,American Institute of Physics X.G. Tangら著,APPLIED PHYSICS LETTERS,VOLUME 85,NUMBER6,991p-993p,2004年8月9日,American Institute of Physics Bernard Jaffeら著、「PIEZOELECTRIC CERAMICS」,91p-95p,1971年、ACADEMIC PRESS
As for a barium titanate (BaTiO 3 ) -based fluorescent material, a red light emitting material obtained by adding aluminum (Al) to strontium titanate added with Pr, Al to which praseodymium ions are added (SrTiO 3 : Pr 3+ ). (See Non-Patent Document 1), calcium titanate (CaTiO 3 ) with praseodymium ions added (see Non-Patent Document 2), barium titanate (BaTiO 3 ) with CaO added (see Non-Patent Document 3) And (Ba 0.90 Ca 0.10 ) (Ti 0.75 Zr 0.25 ) O 3 (see Non-Patent Document 4) and the like have been reported.
JP 2000-119647 (April 25, 2000) JP 2000-313878 (released on November 14, 2000) JP 2001-49251 (released February 20, 2001) JP 2002-194349 (released July 10, 2002) JP2003-292949 (released on October 15, 2003) JP-A-2004-43656 (published on February 12, 2004) JP 2001-215157 (Aug. 10, 2001) JP 2004-77396 (published March 11, 2004) Shinji Okamoto et al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 86, NUMBER10, 5594p-5597p, November 15, 1999, American Institute of Physics PT Diallo et al., Journal of Alloys and Compounds 323-324 (2001), 218p-222p, ELSEVIER Tsai-Fa et al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 67, NUMBER15, 1042p-1047p, January 15, 1990, American Institute of Physics XG Tang et al., APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 85, NUMBER6, 991p-993p, August 9, 2004, American Institute of Physics Bernard Jaffe et al., “PIEZOELECTRIC CERAMICS”, 91p-95p, 1971, ACADEMIC PRESS

しかしながら、上記非特許文献5に記載されているとおり、チタン酸バリウム(BaTiO)にCaを添加しても、キュリー点の改善は小さい上にその誘電率が大きく減少してしまうという問題がある。チタン酸バリウム(BaTiO)系の蛍光物質の混相に関する、電歪、圧電、応力発光、電場発光に関する報告は、これまでになされていない。 However, as described in Non-Patent Document 5, even if Ca is added to barium titanate (BaTiO 3 ), there is a problem that the improvement of the Curie point is small and the dielectric constant is greatly reduced. . There have been no reports on electrostriction, piezoelectricity, stress luminescence, and electroluminescence regarding the mixed phase of barium titanate (BaTiO 3 ) -based fluorescent materials.

そして、硫化亜鉛(ZnS)は高効率の蛍光体母体であり、特に、マンガンイオンを添加した硫化亜鉛やアルミと銀とのペアイオンを添加したものは、強い黄色発光体、緑色発光体として知られている。また、酸化亜鉛(ZnO)も発光体母体として知られている。しかし、これらの母体は、赤色蛍光体として不向きであった。   Zinc sulfide (ZnS) is a high-efficiency phosphor matrix. In particular, zinc sulfide to which manganese ions are added and those to which a pair ion of aluminum and silver is added are known as strong yellow light emitters and green light emitters. ing. Zinc oxide (ZnO) is also known as a light emitter matrix. However, these matrixes are unsuitable as red phosphors.

また、非特許文献1に記載のように、SrTiOにPrイオンとAlイオンとを添加することにより、その発光強度が強くなることが見出されているものの、この発光体は室温では電場発光しないうえに、応力発光性も無く、圧電性も有していないものである。 Further, as described in Non-Patent Document 1, although it has been found that the emission intensity is increased by adding Pr ions and Al ions to SrTiO 3 , this phosphor emits electroluminescence at room temperature. In addition, there is no stress luminescence and no piezoelectricity.

本発明は、新規な赤色発光体、及び、紫外線励起で発光するだけでなく、応力発光性、電場発光性、及び、圧電性を同時に発現することができる、新規な発光体を提供することを目的としている。   The present invention provides a novel red illuminant and a novel illuminant that not only emits light by ultraviolet excitation but can simultaneously exhibit stress luminescence, electroluminescence, and piezoelectricity. It is aimed.

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、複数の結晶構造が共存した混相とすることにより、新たな発光体を実現することができること、並びに、圧電性を有する母体を活用するとともに、発光中心を発光しやすい結晶環境を制御することにより、応力発光、紫外励起発光、電場励起における発光強度が強く、また圧電性を有する多機能な発光体を実現可能なことを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive research, the present inventors have realized that a new light emitter can be realized by making a mixed phase in which a plurality of crystal structures coexist, and that a luminescent substrate is utilized and light emission is achieved. By controlling the crystal environment that easily emits light at the center, it was found that the light emission intensity in stress light emission, ultraviolet excitation light emission, and electric field excitation was strong, and that it was possible to realize a multifunctional light emitter having piezoelectricity, and completed the present invention. It came to do.

すなわち、本発明の発光材料は、上記の課題を解決するために、機械的な外力が加えられることにより発光する発光材料であって、複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴としている。上記のように、複数の結晶構造を混在してなる混相とすることにより、単独の結晶構造では実現出来なかった発光が可能な発光材料とすることができる。なお、本発明において、「混相」とは、複数の結晶構造が混在していることが、X線結晶回折(XRD)測定により確認できるもの、すなわちXRD測定の結果、複数の結晶構造に対応するピークが得られるものをいい、固溶体とは異なるものである。   That is, the light-emitting material of the present invention is a light-emitting material that emits light when a mechanical external force is applied in order to solve the above problems, and includes a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. It is characterized by. As described above, a light-emitting material capable of emitting light that cannot be realized with a single crystal structure can be obtained by using a mixed phase composed of a plurality of crystal structures. In the present invention, “mixed phase” means that a plurality of crystal structures can be confirmed by X-ray crystal diffraction (XRD) measurement, that is, the result of XRD measurement corresponds to a plurality of crystal structures. The peak is obtained and is different from the solid solution.

本発明の発光材料は、上記混相は、ウルツ鉱型構造の酸化亜鉛と、立方晶又はウルツ鉱型構造の硫化亜鉛と、立方晶の酸化マンガンとの結晶構造の中から少なくとも2種類以上の結晶構造を有する複合結晶体であることを特徴としている。この構成により、酸化亜鉛、硫化亜鉛、及び、酸化マンガンのうち、単独あるいはこれらの2つからなるものでは実現出来なかった、赤色発光体とすることが可能になる。すなわち、一般式、xZnO+yZnS+zMnOで表される混相とすることにより、新規の赤色発光材料を実現することができる。   In the luminescent material of the present invention, the mixed phase is composed of at least two kinds of crystals from a crystal structure of zinc oxide having a wurtzite structure, cubic or wurtzite structure zinc sulfide, and cubic manganese oxide. It is a composite crystal having a structure. With this configuration, it is possible to obtain a red light emitter that cannot be realized by using one of zinc oxide, zinc sulfide, and manganese oxide alone or two of them. That is, a novel red light emitting material can be realized by using a mixed phase represented by the general formula xZnO + yZnS + zMnO.

本発明の発光材料は、上記混相を構成する金属イオンの一部が、他の金属イオンに置換されたものであってもよい。この場合、上記混相を構成している金属イオンとは別の上記他の金属イオンはTeイオンであることが好ましい。これにより、本発明の発光材料の赤色発光の強度を大きく向上させることが可能となる。上記Teイオンは、上記混相を構成する金属イオン100モルに対し、0.1モル以上5モル以下の範囲内となるようにすることが好ましい。   In the luminescent material of the present invention, a part of metal ions constituting the mixed phase may be substituted with other metal ions. In this case, the other metal ions different from the metal ions constituting the mixed phase are preferably Te ions. Thereby, it becomes possible to greatly improve the intensity of red light emission of the light emitting material of the present invention. The Te ions are preferably in the range of 0.1 mol or more and 5 mol or less with respect to 100 mol of the metal ions constituting the mixed phase.

また、本発明の発光材料は、上記の課題を解決するために、上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上を含むものであることを特徴としている。この場合、上記混相を構成する金属イオンの一部が、他の金属イオンに置換されているものであってもよい。   In order to solve the above-described problems, the light-emitting material of the present invention has a mixed phase of barium titanate having a tetragonal structure, calcium titanate having an orthorhombic structure, magnesium titanate having a rhombohedral structure, and cubic. It is characterized in that it contains at least two kinds of crystal structures of strontium titanate. In this case, a part of the metal ions constituting the mixed phase may be replaced with other metal ions.

また、本発明の発光材料は、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであることを特徴としている。 In addition, the light-emitting material of the present invention has a general formula (Ca 1−x A ′ x ) y Ba 1−y TiO 3, (Mg 1−x A ′ x ) y Ba 1−y TiO 3, and (Sr 1− x A ′ x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb , Pr, Er), and a rare earth element selected from the group consisting of Pr, Er.

上記の構成により、応力や電場を加えることにより光を発する発光性と圧電性と兼ね備えた発光材料とすることができる。また、A’として示している希土類元素としては、プラセオジム(Pr)が最も好ましく用いられる。   With the above structure, a light-emitting material having both light-emitting property and piezoelectricity that emit light by applying stress or an electric field can be obtained. As the rare earth element shown as A ′, praseodymium (Pr) is most preferably used.

また、本発明の発光材料は、強誘電性正方晶のBa1−xCaTiO3:Pr固溶体(0<x<0.23)と、常誘電性の斜方晶のBaCa1−yTiO:Pr固溶体(0.9<y<1)とからなる混相であってもよい。 The light emitting material of the present invention, ferroelectric tetragonal Ba 1-x Ca x TiO3: the Pr solid solution (0 <x <0.23), orthorhombic paraelectric Ba y Ca 1-y A mixed phase composed of TiO 3 : Pr solid solution (0.9 <y <1) may be used.

また、本発明の発光材料は、発光強度が上記機械的な外力の大きさに比例するものであってもよい。   In the luminescent material of the present invention, the luminescence intensity may be proportional to the magnitude of the mechanical external force.

また、本発明の発光材料は、上記A’はEr又はPrであり、Er又はPrの配合量とCaの配合量とが最適化されたものであることが好ましい。   In the luminescent material of the present invention, A ′ is Er or Pr, and it is preferable that the blending amount of Er or Pr and the blending amount of Ca are optimized.

上記Caの比率が40%以上80%以下の範囲内、あるいは、上記Caの比率が1%以上35%以下の範囲内であることが好ましい。また、上記Caの比率が55%以上65%以下の範囲内、あるいは、上記Caの比率が25%以上35%以下の範囲内であることがより好ましい。   The Ca ratio is preferably in the range of 40% to 80%, or the Ca ratio is preferably in the range of 1% to 35%. More preferably, the Ca ratio is in the range of 55% to 65%, or the Ca ratio is in the range of 25% to 35%.

本発明の発光材料は、サイズの異なる複数の結晶相を有しており、当該複数の結晶相のうち、少なくとも1つの結晶相は大きい粒子サイズで、また、少なくとも1つの結晶相は大きい粒子サイズよりも小さい粒子サイズで構成されており、小さい粒子サイズの結晶相は大きい粒子サイズの結晶相の粒子間に均一に分散していることを特徴としている。   The light-emitting material of the present invention has a plurality of crystal phases having different sizes, and among the plurality of crystal phases, at least one crystal phase has a large particle size, and at least one crystal phase has a large particle size. It is characterized by having a smaller particle size, and the crystal phase having a smaller particle size is uniformly dispersed among the particles of the crystal phase having a larger particle size.

この場合、上記チタン酸バリウムの結晶相は大きい粒子サイズで、また、上記チタン酸カルシウムの結晶相は小さい粒子サイズで構成されており、小さい粒子サイズのチタン酸カルシウム結晶相はチタン酸バリウム大きい粒子サイズの結晶相の粒子間に均一に分散しているものであってもよい。あるいは、酸化マンガンの結晶相は大きい粒子サイズで、また、硫化亜鉛、酸化亜鉛の結晶相は小さい粒子サイズで構成されており、小さい粒子サイズの硫化亜鉛亜鉛、酸化亜鉛結晶相は酸化マンガン大きい粒子サイズの結晶相の粒子間に
均一に分散しているものであってもよい。
In this case, the crystal phase of the barium titanate has a large particle size, and the crystal phase of the calcium titanate has a small particle size, and the calcium titanate crystal phase of the small particle size has a large particle size of barium titanate. It may be uniformly dispersed between the grains of the size crystal phase. Alternatively, the crystal phase of manganese oxide has a large particle size, and the crystal phase of zinc sulfide and zinc oxide has a small particle size. The zinc particle of zinc sulfide and zinc oxide crystal phase of small particle size have large particles of manganese oxide. It may be uniformly dispersed between the grains of the size crystal phase.

本発明の圧電体は、上記の課題を解決するために、複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the piezoelectric body of the present invention is characterized by including a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed.

本発明の圧電体は、上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上のもの含むものであることが好ましい。この場合、上記混相を構成する金属イオンの一部が、他の金属イオンに置換されているものであってもよい。   In the piezoelectric body of the present invention, the mixed phase has at least one of tetragonal barium titanate, orthorhombic calcium titanate, rhombohedral magnesium titanate, and cubic strontium titanate. It is preferable that two or more types are included. In this case, a part of the metal ions constituting the mixed phase may be replaced with other metal ions.

本発明の圧電体は、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであってもよい。この場合、上記の一般式において、1モル中にCaイオンが0.21−
0.40の範囲内で含有された組成である混相構造を有することが好ましい。
The piezoelectric body of the present invention have the general formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A ' x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr , A rare earth element selected from the group consisting of Er). In this case, in the above general formula, Ca ion is 0.21-
It is preferable to have a mixed phase structure which is a composition contained within the range of 0.40.

本発明の電歪体は、上記の課題を解決するために、複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the electrostrictive body of the present invention is characterized by including a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed.

本発明の電歪体は、BaTiOセラミックの電歪を100%とすると、電歪が170%以上であることが好ましい。また、電歪特性が0.26%以上であることが好ましい。 The electrostrictive body of the present invention preferably has an electrostriction of 170% or more, assuming that the electrostriction of the BaTiO 3 ceramic is 100%. Moreover, it is preferable that an electrostriction characteristic is 0.26% or more.

本発明の電歪体は、上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上のもの含むものであることが好ましい。   In the electrostrictive body of the present invention, the mixed phase is composed of tetragonal barium titanate, orthorhombic structure calcium titanate, rhombohedral structure magnesium titanate, and cubic structure strontium titanate. It is preferable that at least two or more types are included.

本発明の電歪体は、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであってもよい。この場合、上記の一般式において、1モル中にCaイオンが0.21−
0.40の範囲内で含有された組成である混相構造を有することが好ましい。
Ibitsutai collector of the present invention have the general formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A ′ x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, It may be made of a rare earth element selected from the group consisting of Pr and Er. In this case, in the above general formula, Ca ion is 0.21-
It is preferable to have a mixed phase structure which is a composition contained within the range of 0.40.

本発明の強誘電体は、上記の課題を解決するために、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであり、1モル中にCaイオンが0.21−0.40の
範囲内で含有された組成である混相構造を有することを特徴としている。
Ferroelectric present invention, in order to solve the above problems, the general formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3 and (Sr 1-x A ′ x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is Dy, La, Gd, Ce , Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er), and a composition containing Ca ions in a range of 0.21-0.40 in 1 mol. It is characterized by having a certain mixed phase structure.

本発明の電場発光体は、上記の課題を解決するために、複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the electroluminescent material of the present invention is characterized in that it includes a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed.

本発明の電場発光体は、ウルツ鉱型構造の酸化亜鉛と、立方晶又はウルツ鉱型構造の硫化亜鉛と、立方晶の酸化マンガンとの結晶構造の中から少なくとも2種類以上の結晶構造を有する複合結晶体であることが好ましい。また、上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上のもの含むもので
あることが好ましい。
The electroluminescent material of the present invention has at least two kinds of crystal structures among the crystal structures of zinc oxide having a wurtzite structure, cubic sulfide or zinc sulfide having a wurtzite structure, and cubic manganese oxide. A composite crystal is preferable. The mixed phase has at least two kinds of tetragonal barium titanate, orthorhombic calcium titanate, rhombohedral magnesium titanate, and cubic strontium titanate. It is preferable that it is included.

また、本発明の電場発光体は、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであってもよい。この場合、上記の一般式において、1モル中にCaイオンが
0.5−0.80の範囲内で含有された組成である混相構造を有することが好ましい。
Further, the electroluminescent material of the present invention have the general formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1 −x A ′ x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, It may be composed of a rare earth element selected from the group consisting of Tb, Pr and Er. In this case, in the above general formula, it is preferable to have a mixed phase structure having a composition in which Ca ions are contained in a range of 0.5 to 0.80 in 1 mol.

本発明の応力発光体は、上記の課題を解決するために、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであり、1モル中にCaイオンが0.5−0.80の
範囲内で含有された組成である混相構造を有することを特徴としている。
In order to solve the above-described problems, the stress-stimulated luminescent material of the present invention has the general formula (Ca 1-x A ′ x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A ′ x ) y Ba 1-y. TiO 3 and (Sr 1-x A ′ x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is Dy, La, Gd, Ce , Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er), and a composition in which 1 mol of Ca ions is contained within a range of 0.5-0.80. It is characterized by having a certain mixed phase structure.

上記した本発明の発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、又は応力発光体は、複数の結晶構造の混在した混相となる比率の原料を混合するステップを含む方法によって、製造することができる。   The above-described luminescent material, piezoelectric material, electrostrictive material, ferroelectric material, electroluminescent material, or stress luminescent material of the present invention is obtained by a method including a step of mixing raw materials in a ratio of a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. Can be manufactured.

本発明の製造方法は、製造時における、上記原料容器の真空度を10−1Pa以上とすることとしてもよい。 The manufacturing method of this invention is good also as making the vacuum degree of the said raw material container into the 10 <-1 > Pa or more at the time of manufacture.

また、2つの亜鉛を添加した酸化マンガン結晶の合成中に、硫黄を添加することとしてもよい。この場合、さらに、硫黄とテルルを同時に添加することとしてもよい。   Moreover, it is good also as adding sulfur during the synthesis | combination of the manganese oxide crystal | crystallization which added two zinc. In this case, sulfur and tellurium may be added simultaneously.

本発明の発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、及び応力発光体は、複数の結晶構造が混在してなる混相とを含んでいる。この混相により、赤色発光可能な新規発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、及び応力発光体を実現することができる。   The luminescent material, piezoelectric material, electrostrictive material, ferroelectric material, electroluminescent material, and stress luminescent material of the present invention include a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. By this mixed phase, a new light emitting material capable of emitting red light, a piezoelectric body, an electrostrictive body, a ferroelectric body, an electric field light emitting body, and a stress light emitting body can be realized.

また、本発明の発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、及び応力発光体は、一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.01≦y≦0.99,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなる混相を含んでいる。これにより、応力や電場を加えることにより光を発する発光性と圧電性と兼ね備えた発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、及び応力発光体とすることができる。 In addition, the light emitting material, piezoelectric body, electrostrictive body, ferroelectric body, electroluminescent body, and stress light emitting body of the present invention are represented by the general formula (Ca 1−x A ′ x ) y Ba 1−y TiO 3, (Mg 1-x A ′ x ) y Ba 1-y TiO 3 and (Sr 1-x A ′ x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.01 ≦ y ≦ 0. 99, A ′ includes a mixed phase composed of a rare earth element selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, and Er. Accordingly, a light emitting material, a piezoelectric body, an electrostrictive body, a ferroelectric body, an electroluminescent body, and a stress light emitting body having both light emitting property and piezoelectricity that emit light by applying a stress or an electric field can be obtained.

したがって、今までの発光材料(発光体)、圧電体の応用分野はもちろんのこと、さらに、電気、機械、光の3者の相互変換を簡便に実現することができるから、本発明の発光材料は、新規なセンサ、アクチュエータをはじめ、新規の表示デバイス、及び、アミュズメント機器などの用途へ展開することが可能である。   Accordingly, the light emitting material of the present invention can be easily realized in the three-way conversion of electricity, machine, and light as well as the application fields of the light emitting material (light emitting body) and the piezoelectric body so far. Can be developed for applications such as new sensors, actuators, new display devices, and amusement equipment.

〔実施の形態1〕
本発明の出願人らは、「応力発光」を提唱し、機械的な作用により発光する材料を用いて、遠隔な応力センシング、応力分布のビジュアル化を目指している。今までは発光色の異なる応力発光体を開発している。例えば、欠陥制御型SrAl:Euが弾性変形
領域において、発光強度と応力とが直線的に比例することを見出し、日中でも目視できる強い緑色の応力発光強度を得ている。
[Embodiment 1]
The applicants of the present invention have proposed “stress luminescence”, and aim at remote stress sensing and visualization of stress distribution using a material that emits light by mechanical action. Up to now, we have developed stress-stimulated luminescent materials with different luminescent colors. For example, the defect control type SrAl 2 O 4 : Eu finds that the light emission intensity and the stress are linearly proportional in the elastic deformation region, and obtains a strong green stress light emission intensity that can be visually observed even during the day.

しかし、赤色の応力発光体については、視覚感度が低いために、目視できる十分な強度を示す応力発光体はまだ開発されていない。そこで、目視できる高効率な赤色応力発光体の開発を目標として鋭意検討した結果、以下に説明する構成により実現できることを見出した。   However, since the red stress illuminant has low visual sensitivity, a stress illuminant exhibiting sufficient visual strength has not been developed yet. Therefore, as a result of intensive studies aimed at developing a high-efficiency red-stressed luminescent material that can be visually observed, it has been found that this can be realized by the configuration described below.

本実施の形態の発光材料は、複数の結晶構造が混在した混相を含んでおり、当該混相は、ウルツ鉱型構造の構造の酸化亜鉛と、立方晶又はウルツ鉱型構造の硫化亜鉛と、立方晶の酸化マンガンとの結晶構造が混在する混相を含むものである。   The light-emitting material of this embodiment includes a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. The mixed phase includes zinc oxide having a wurtzite structure, cubic sulfide or zinc sulfide having a wurtzite structure, and cubic. It includes a mixed phase in which a crystal structure with crystalline manganese oxide is mixed.

また、上記混相を構成する金属イオンの一部が、上記混相を構成している金属イオンとは別の他の金属イオンに置換されたものであっても良い。当該他の金属イオンとしては、Te,Sb,Sn,Mn,Cu,Ag等が挙げられ、この中では、Te4+イオンが好ましい。 Moreover, a part of the metal ions constituting the mixed phase may be replaced with another metal ion different from the metal ions constituting the mixed phase. Examples of the other metal ions include Te, Sb, Sn, Mn, Cu, and Ag. Among these, Te 4+ ions are preferable.

上記Te4+は、上記混相を構成する金属イオン100モルに対し、0.01モル以上20モル以下の範囲内であることが好ましく、0.1モル以上5モル以下の範囲内であることがより好ましく、1モル以上3モル以下の範囲内であることがさらに好ましい。 Te 4+ is preferably in the range of 0.01 mol to 20 mol and more preferably in the range of 0.1 mol to 5 mol with respect to 100 mol of the metal ions constituting the mixed phase. Preferably, it is in the range of 1 mol or more and 3 mol or less.

以下に、実施例を示して本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

本発明の発明者らは、赤色ルミネッセンス相の起源(母体)を求めるために、ZnS、ZnO、MnS、MnTe、Mn、及び、Teの一連の組み合わせについて、石英サンプル管に原料となる粉末をいれ、サンプル管を真空炉に置いて、高真空に排気した後、合成温度以上の温度で結晶成長させた。
合成したサンプルの結晶構造はX線回折法で同定するとともに、ルミネッセンス特性調べることにより、ルミネッセンス相を同定した。
In order to determine the origin (matrix) of the red luminescence phase, the inventors of the present invention put a raw material powder in a quartz sample tube for a series of combinations of ZnS, ZnO, MnS, MnTe, Mn, and Te. The sample tube was placed in a vacuum furnace, evacuated to a high vacuum, and then grown at a temperature higher than the synthesis temperature.
The crystal structure of the synthesized sample was identified by the X-ray diffraction method, and the luminescence phase was identified by examining the luminescence characteristics.

このようにして同定された新規な化学種の相は、硫化亜鉛と酸化亜鉛の2つの結晶相が必ず共存して、さらに、酸化マンガン(Mn+2O)が含まれる、複数の結晶構造が共存する混相で形成されたものである。そして、赤色ルミネッセンス相における発光を大幅に向上させるためには、Teの効果が顕著であることを見出した。以下に、これら材料の調製方法及びルミネッセンス特性について説明する。   The phase of the novel chemical species identified in this way is a mixed phase in which two crystal phases of zinc sulfide and zinc oxide always coexist, and in addition, a plurality of crystal structures including manganese oxide (Mn + 2O) coexist. Is formed. And in order to improve the light emission in a red luminescence phase significantly, it discovered that the effect of Te was remarkable. Below, the preparation method and luminescence characteristic of these materials are demonstrated.

〔実験方法〕
不必要な気体種である酸素や水を反応槽から排出して当該反応槽が高真空に排気されて、Arなどの不活性ガスで目的の圧力(1Paから1気圧)まで満された後、密閉して焼成することにより、合成反応を制御できるような密閉雰囲気制御型固体結晶合成反応装置を設計した。密閉雰囲気制御型固体結晶合成反応装置(以下、「合成反応装置」という。)は、硫黄やテルルなどのような非常に昇華しやすい成分を含む化合物結晶の合成に用いられた。発光材料の原料は、各々所定の比率で秤量し・乳鉢で均一に混合した後、内径10mm×長さ10cmの石英管に詰め込まれ、管の両端は、石英ウールにより栓がされる。これら石英管は、上記合成反応装置に挿入されて、数時間の間、反応層の雰囲気温度が600℃〜1200℃となる温度で、10分間から100時間加熱される。多くのトライアンドエラーを繰り返した結果、最適な温度(反応槽内の雰囲気温度)及び加熱時間は、850℃で10時間であった。また、同様な焼成条件で、高真空密封アンプル(0.1P
a以下の圧力)を用いた実験もいくつか行われた。
〔experimental method〕
After unnecessary gases such as oxygen and water are discharged from the reaction tank, the reaction tank is evacuated to a high vacuum, and filled with an inert gas such as Ar to a target pressure (1 Pa to 1 atm). A sealed atmosphere control type solid crystal synthesis reactor was designed that can control the synthesis reaction by sealing and firing. A closed atmosphere control type solid crystal synthesis reactor (hereinafter referred to as “synthesis reactor”) was used to synthesize compound crystals containing components that are very easily sublimated, such as sulfur and tellurium. The raw materials of the luminescent material are weighed at a predetermined ratio and mixed uniformly in a mortar, and then packed into a quartz tube having an inner diameter of 10 mm × length of 10 cm, and both ends of the tube are plugged with quartz wool. These quartz tubes are inserted into the synthesis reaction apparatus and heated for 10 hours to 100 hours at a temperature at which the atmospheric temperature of the reaction layer becomes 600 ° C. to 1200 ° C. for several hours. As a result of repeating many trial and errors, the optimum temperature (atmosphere temperature in the reaction vessel) and the heating time were 10 hours at 850 ° C. Also, under similar firing conditions, a high vacuum sealed ampoule (0.1 P
Some experiments using pressures below a) were also conducted.

構造解析には、Rigaku Rint2000粉体X線回折計を用いた。光ルミネッ
センス及び熱ルミネッセンスの測定には、Jasco FP−6500分光蛍光光度計を
用いた。光吸収の測定には、Jasco V−570 UV−VIS−IR 分光光度計を用いた。
For structural analysis, a Rigaku Rint 2000 powder X-ray diffractometer was used. A Jasco FP-6500 spectrofluorophotometer was used for photoluminescence and thermoluminescence measurements. A Jasco V-570 UV-VIS-IR spectrophotometer was used for the measurement of light absorption.

本実施例では、試薬は純度が99.9%以上のものを用いた。種々の試薬を用いて実験がなされた結果、黄色ルミネッセンスを示すものとしてZnO0.60MnS0.40(0.6ZnO・0.4MnS)が得られ、また、少量のMnTeを加えることにより、黄色から赤色ルミネッセンスへと変換できることが分かった。 In this example, a reagent having a purity of 99.9% or more was used. As a result of experiments using various reagents, ZnO 0.60 MnS 0.40 (0.6ZnO · 0.4MnS) was obtained as yellow luminescence, and yellow was added by adding a small amount of MnTe. It was found that it can be converted to red luminescence.

〔実験結果及び考察〕
上記説明した方法に従って調整して得られた試料並びにその測定結果について、下記の表1に示す。
[Experimental results and discussion]
The samples obtained by adjusting according to the method described above and the measurement results are shown in Table 1 below.

Figure 2006152089
Figure 2006152089

上記の表1の試料1は、高真空密封アンプル内で作製されたものであり、他の試料2〜5は密閉雰囲気制御型固体合成装置により作製されたものである。高真空密封アンプルで合成したものはさらに発光強度は高くなる。なお、上記の表1には記載した試料以外にも、比較考察にのみ用いられた試料も密閉雰囲気制御型固体合成装置を用いて作製した。以下の説明においては、XRD相でなく原材料の組成を用いて各試料を区別する。   Sample 1 in Table 1 above was manufactured in a high-vacuum sealed ampoule, and the other samples 2 to 5 were manufactured by a sealed atmosphere control type solid synthesizer. What is synthesized with a high vacuum sealed ampoule further increases the emission intensity. In addition to the samples described in Table 1 above, samples used only for comparative consideration were also prepared using a sealed atmosphere control type solid synthesizer. In the following description, each sample is distinguished using the composition of the raw material instead of the XRD phase.

図1は、表1に示した試料1〜5のX線回析(以下、適宜「XRD」という)パターンを示す。また、同図において矢印で示されたピークが、当該矢印の左に示された相で帰属される。   FIG. 1 shows an X-ray diffraction (hereinafter referred to as “XRD” as appropriate) pattern of Samples 1 to 5 shown in Table 1. In addition, the peak indicated by the arrow in the figure is attributed to the phase indicated to the left of the arrow.

図1に示された相のうち、ZnTe相、酸化マンガン(Mn+2O)相、及び、ZnO相はいずれも、単独では、表1に示された黄色、あるいは赤色ルミネッセンスを示さないことが知られている。同図に示された相の中で、単独で黄色ルミネッセンスを示すものはZnS相のみである。そして、ZnS相はウルツ鉱型硫化亜鉛であり、2Hあるいは10H相であり‐多層繰り返し構造(超格子構造)である。   Among the phases shown in FIG. 1, it is known that none of the ZnTe phase, the manganese oxide (Mn + 2O) phase, and the ZnO phase alone show the yellow or red luminescence shown in Table 1. Yes. Among the phases shown in the figure, only the ZnS phase exhibits yellow luminescence alone. The ZnS phase is wurtzite zinc sulfide, which is a 2H or 10H phase—a multilayer repeating structure (superlattice structure).

ウルツ鉱型硫化亜鉛相10Hの結晶相において、結晶のC軸の長さは2H相のものよりも5倍に増加し、その構造は多層繰り返し構造内で円柱状になる。試料1で観察される相は2Hであるが、他の試料では10Hである。この円柱状C軸の増加は、発光中心Teを固定することに関与していると考えられる。   In the crystalline phase of the wurtzite zinc sulfide phase 10H, the length of the C-axis of the crystal increases five times that of the 2H phase, and the structure becomes cylindrical in the multilayer repeating structure. The phase observed in sample 1 is 2H, while in other samples it is 10H. This increase in the columnar C-axis is considered to be involved in fixing the light emission center Te.

ZnSの役割を調べる為に、ZnS0.96MnTe0.04、ZnS0.90MnTe0.10、ZnS0.93ZnTe0.03MnTe0.04、ZnS0.91Mn0.03Te0.06、及び、ZnS0.94Te0.06の原料比率での混合物の試料を密閉雰囲気制御型固体合成装置において、
かけた。その結果、ZnS相の2H相(図2参照)及び10H相(図3参照)が得られた。しかしながら、観察されたルミネッセンスは非常に小さく、後者(10H相)が検出されなかったものもあった(図1参照)。したがって、上記の表1に示した試料2〜5において、850℃から1200℃で10時間を焼成した。赤色ルミネッセンスが発生した原因は、ZnS単独相ではないと考えられる。
In order to investigate the role of ZnS, ZnS 0.96 MnTe 0.04 , ZnS 0.90 MnTe 0.10 , ZnS 0.93 ZnTe 0.03 MnTe 0.04 , ZnS 0.91 Mn 0.03 Te 0. In a closed atmosphere control type solid synthesizer, a sample of a mixture at a raw material ratio of 06 and ZnS 0.94 Te 0.06 is used.
It was over. As a result, 2H phase (see FIG. 2) and 10H phase (see FIG. 3) of the ZnS phase were obtained. However, the observed luminescence was very small, and in some cases, the latter (10H phase) was not detected (see FIG. 1). Therefore, the samples 2 to 5 shown in Table 1 were fired at 850 ° C. to 1200 ° C. for 10 hours. It is considered that the cause of the red luminescence is not the ZnS single phase.

さらに、図9に試料1の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示し、試料2〜5の発光スペクトルを図10に、励起スペクトルを図11に示す。図9,図10,及び図11に示した励起スペクトルおよび発光スペクトルは異なっており、試料1の発光中心波長は約582nm(黄色)であるが、試料2から5は約640nm(赤)である。また、これら図9,図10,及び図11に示した物質のバンドギャップは、表2および図7に示すように、ZnSのもの(図8参照)とは大きく異なっていた。即ち、硫化亜鉛のバンドギャップは、表1、図1に示すZnO−MnS−MnTeの組み合わせで得られた高ルミネッセンス相のバンドギャップとは全く異なっている。   Further, FIG. 9 shows an excitation spectrum and an emission spectrum of Sample 1, FIG. 10 shows an emission spectrum of Samples 2 to 5, and FIG. 11 shows an excitation spectrum. The excitation spectrum and emission spectrum shown in FIGS. 9, 10, and 11 are different, and the emission center wavelength of sample 1 is about 582 nm (yellow), while samples 2 to 5 are about 640 nm (red). . In addition, the band gaps of the substances shown in FIGS. 9, 10, and 11 were significantly different from those of ZnS (see FIG. 8) as shown in Table 2 and FIG. That is, the band gap of zinc sulfide is completely different from the band gap of the high luminescence phase obtained by the combination of ZnO—MnS—MnTe shown in Table 1 and FIG.

また、ZnS以外の相がルミネッセンスの原因であることもあり得る。ここで、ZnOが緑色ルミネッセンスを発することは知られているものの、TeあるいはMnと共に強い赤色や黄色のルミネッセンスを発することは知られていない。みかけの比率をZnO0.5MnS0.5として調製された試料においては、高い黄色ルミネッセンスが観察され、Teを添加することで、赤色ルミネッセンスを発する。しかし、この試料のXRDパターンではZnO相のピークが存在しなかった。 In addition, phases other than ZnS may cause luminescence. Here, ZnO is known to emit green luminescence, but it is not known to emit strong red or yellow luminescence together with Te or Mn. In a sample prepared with an apparent ratio of ZnO 0.5 MnS 0.5 , high yellow luminescence is observed, and by adding Te, red luminescence is emitted. However, there was no ZnO phase peak in the XRD pattern of this sample.

図4にZnO0.5MnS0.5の試料について測定して得られたXRDパターンを示す。同図に示すように、ZnO0.5MnS0.5の試料のXRDパターンでは、ZnO相のピークが認められない。以上のことから、ZnOは図1に示した試料1及び図4に示したZnO0.5MnS0.5の試料における黄色ルミネッセンスの原因ではないものと考えられる。 FIG. 4 shows an XRD pattern obtained by measuring a ZnO 0.5 MnS 0.5 sample. As shown in the figure, no peak of the ZnO phase is observed in the XRD pattern of the sample of ZnO 0.5 MnS 0.5 . From the above, it is considered that ZnO is not the cause of yellow luminescence in the sample 1 shown in FIG. 1 and the ZnO 0.5 MnS 0.5 sample shown in FIG.

上記ルミネッセンスの原因として次の可能性のあるものは、Mn+2Oである。しかし、このMn+2Oの純粋な相は、ルミネッセンスを示さない。様々な比率で構成した酸化
マンガンを含む混相発光体の発光特性と酸化マンガンの結晶性の相関を図5,6にまとめている。ここで、1つの重要な注目すべき点は、他の同種の材料で見られたとおり、Mn+2O相の〔200〕面のXRDピーク強度に対して、PL(Photoluminescence)強度
は図5に示すような関係がある。酸化マンガン相のピークはなければ、強い発光は得られない。また、一定の閾値を超えると、強い発光が観察される。即ち、酸化マンガン相の共存は強い発光を得るために必要不可欠である。(図5)。強い発光は、酸化マンガンと硫化亜鉛の結晶相が共存する、さらに酸化亜鉛の結晶相が共存することが最も好ましい。
The next possible cause of the luminescence is Mn + 2O. However, this pure Mn + 2O phase shows no luminescence. FIGS. 5 and 6 summarize the correlation between the emission characteristics of the mixed-phase phosphor containing manganese oxide composed of various ratios and the crystallinity of manganese oxide. Here, one important notable point is that the PL (Photoluminescence) intensity is as shown in FIG. 5 with respect to the XRD peak intensity of the [200] plane of the Mn + 2O phase as seen with other similar materials. There is a serious relationship. If there is no peak of the manganese oxide phase, strong light emission cannot be obtained. In addition, when a certain threshold is exceeded, strong light emission is observed. That is, the coexistence of the manganese oxide phase is indispensable for obtaining strong light emission. (FIG. 5). For strong light emission, it is most preferable that the crystal phase of manganese oxide and zinc sulfide coexist, and further the crystal phase of zinc oxide coexists.

第2の注意すべき重要な点は、酸化マンガン結晶相のXRDの回折角度(例えば、〔200〕面)が常に、純粋な酸化マンガン単一相の40.547よりも大きいことである。これは格子収縮を示唆している。雰囲気密閉型合成装置内において、Mn+2Oへと組み入れ可能なすべての要素のイオン半径が、硫黄、テルル、亜鉛はマンガンイオンあるいは酸素イオンとの置換で格子収縮を可能にするものは亜鉛しかない。したがって、相当な数のZnとマンガンを置換していたことが、格子収縮の唯一の可能性である。図6は、Mn+2Oの〔200〕面の2θ(theta)に対する光ルミネッセンス強度(PL強度)のば
らつきを示すが、これは混相の比率は様々であるためであり、亜鉛の置換量のみで発光特性を決めることではなく、他の結晶相の共存も重要であることを示している。
The second important point to note is that the XRD diffraction angle (eg, [200] plane) of the manganese oxide crystal phase is always greater than 40.547 for a pure manganese oxide single phase. This suggests lattice shrinkage. In an atmosphere-sealed synthesizer, the ionic radius of all elements that can be incorporated into Mn + 2O is such that sulfur, tellurium, and zinc can be lattice-shrinkable by substitution with manganese ions or oxygen ions. Therefore, the only possibility of lattice contraction was the replacement of a substantial number of Zn and manganese. FIG. 6 shows the variation of the photoluminescence intensity (PL intensity) with respect to 2θ (theta) of the [200] plane of Mn + 2O because the ratio of the mixed phase varies, and the emission characteristics can be obtained only by the zinc substitution amount. This indicates that the coexistence of other crystal phases is also important.

図6から、目視による観察が可能な程の光ルミネッセンスを発するために、最適な混合比率(degree of incorporation)があることは、明らかである。酸化マンガン(Mn+2
O)単一相又はZnを固溶した酸化マンガン(Mn+2O)との混成物のどちらかが、ルミネッセンスを生じさせる必要不可欠の要素となっている。そして、この相は2通りの方法で容易に作ることが出来る。
From FIG. 6, it is clear that there is an optimum degree of incorporation in order to emit photoluminescence that is visually observable. Manganese oxide (Mn + 2
O) Either a single phase or a hybrid with manganese oxide (Mn + 2O) in which Zn is dissolved is an indispensable element for generating luminescence. And this phase can be easily made in two ways.

1つ目の方法は、MnCOを熱分解させることである。MnCOを単独で熱分解燃焼させる方法によれば、図6に示すような回折角度における高角度へのシフトを生じさせることなく、ルミネッセンスを発しない単一相が得られる。また、MnOをZnOと共に混合した後熱分解させると、回折ピークにおける明らかな高角度へのシフトが見られるが、ルミネッセンスのないものが得られる。 The first method is to thermally decompose MnCO 3 . According to the method of pyrolyzing and burning MnCO 3 alone, a single phase that does not emit luminescence can be obtained without causing a shift to a high angle in the diffraction angle as shown in FIG. Moreover, when MnO 3 is mixed with ZnO and then thermally decomposed, a clear shift to a high angle is observed in the diffraction peak, but a product without luminescence is obtained.

2つ目の方法は、ZnOと金属Mnとを混合して熱処理で合成することにより、Mn+2Oとかなりの量のZnとの混成物(混合物)を得ることができる。この場合、回折角度の明らかな転移が認められたが、ルミネッセンスの無いものが得られた。   In the second method, a mixture (mixture) of Mn + 2O and a considerable amount of Zn can be obtained by mixing ZnO and metal Mn and synthesizing them by heat treatment. In this case, a clear transition of the diffraction angle was observed, but a product without luminescence was obtained.

以上の2つの亜鉛を添加した酸化マンガン結晶の合成中に、硫黄を添加すると、黄色ルミネッセンスが得られた。さらに、硫黄とテルルを同時に添加すると、赤色ルミネッセンスが得られた。   When sulfur was added during the synthesis of the manganese oxide crystal to which the above two zincs were added, yellow luminescence was obtained. Furthermore, red luminescence was obtained when sulfur and tellurium were added simultaneously.

好適な量の十分なZnを混合したMn+2Oに、さらに好適な量のS/Teを加えることが、黄色あるいは赤色ルミネッセンスに必須であるものと考えられる。   It is considered essential for yellow or red luminescence to add a more suitable amount of S / Te to Mn + 2O mixed with a suitable amount of sufficient Zn.

母体半導体の特性である光吸収を、表1に示した試料1〜5について測定したグラフを図7に示す。同図から明らかなように、これら半導体は、500〜700nmの波長領域において特有のバンドギャップ吸収を有しており、光吸収スペクトルは、長波長領域で特徴的な肩形状(shoulder)の吸収を示した。また、300nm〜400nmの波長領域の
吸収は、ZnS相及びZnO相によるものである。
FIG. 7 shows a graph in which light absorption, which is a characteristic of the base semiconductor, is measured for samples 1 to 5 shown in Table 1. As is clear from the figure, these semiconductors have a characteristic band gap absorption in the wavelength region of 500 to 700 nm, and the light absorption spectrum exhibits a characteristic shoulder shape absorption in the long wavelength region. Indicated. Absorption in the wavelength region of 300 nm to 400 nm is due to the ZnS phase and the ZnO phase.

上記試料1〜5について得られたバンドギャップを表2に示した。図7に示すように、Te含有量が増えるに従って、吸収の肩形状は鋭くなるが、ルミネッセンスは減少する。上述したように、これらの試料はZnO、ZnS、そしてMn+2O相の共存する混相を
含んでいる。
The band gaps obtained for the samples 1 to 5 are shown in Table 2. As shown in FIG. 7, as the Te content increases, the shoulder shape of absorption becomes sharper, but the luminescence decreases. As described above, these samples contain a mixed phase in which ZnO, ZnS, and Mn + 2O phases coexist.

Figure 2006152089
Figure 2006152089

上記のようにして得られたバンドギャップの結果は、主な相であるZnSあるいはZnOを反映していない。図8は、MnCO及びZnO0.6Mn0.4の原料で得られたMn+2O相の吸収特性を示している。ルミネッセンス試料の吸収特性と、ZnO、ZnSそしてMn+2O相の吸収特性との比較により、ルミネッセンスはMn+2Oによるものであることが分かる。 The band gap results obtained as described above do not reflect the main phases ZnS or ZnO. FIG. 8 shows the absorption characteristics of the Mn + 2O phase obtained with the raw materials of MnCO 3 and ZnO 0.6 Mn 0.4 . Comparison of the absorption properties of the luminescence sample with the absorption properties of the ZnO, ZnS and Mn + 2O phases shows that the luminescence is due to Mn + 2O.

しかしながら、上述したMnCO及びZnO0.6Mn0.4の相は、どちらも無ルミネッセンスであり、これはS及びTeが添加(ドープ)されていないことに起因すると考えられる。これらの添加によって、長波長領域の吸収をかなり改善するから、S及びTeを含んでいる新しい混成物がルミネッセンスに寄与しているものと考えられる。 However, the phases of MnCO 3 and ZnO 0.6 Mn 0.4 described above are both non-luminescent, which is considered to be due to the fact that S and Te are not added (doped). Since these additions significantly improve the absorption in the long wavelength region, it is considered that a new hybrid containing S and Te contributes to luminescence.

図9に試料1の黄色ルミネッセンス試料の励起スペクトル及び発光スペクトルを示し、図10に赤色ルミネッセンスの試料2〜5の発光スペクトルを示すグラフを示す。   FIG. 9 shows the excitation spectrum and emission spectrum of the yellow luminescence sample of Sample 1, and FIG. 10 shows a graph showing the emission spectra of Samples 2 to 5 of red luminescence.

図9及び図10は、Te含有量を増やしていった場合の、典型的な試料の励起と発光のスペクトルである。発光スペクトルの中心波長は、Te含有量が増えるに従って、長波長側へとシフトした。また、Te含量が低くても、或いはTeを含まないものであっても、図9に示すように目視可能な黄色発光が観察された。そして、PL強度は、Te含量が増加するにつれて減少した。   9 and 10 are excitation and emission spectra of a typical sample when the Te content is increased. The center wavelength of the emission spectrum shifted to the longer wavelength side as the Te content increased. Further, even when the Te content was low or not containing Te, visible yellow light emission was observed as shown in FIG. And PL intensity decreased as Te content increased.

図11に赤色ルミネッセンスの試料2〜5の励起スペクトルを示す。同図に示すように、励起光のスペクトルでは、Te含有量の増加に伴って励起光のピークも長波長側へと移動する。Te含量の多い試料では、短波長領域で、明らかな減少が起こっている。そしてPL強度もまた、Te含有量の増加に伴って減少している。   FIG. 11 shows excitation spectra of red luminescence samples 2 to 5. As shown in the figure, in the excitation light spectrum, the peak of the excitation light moves to the longer wavelength side as the Te content increases. In samples with a high Te content, a clear decrease occurs in the short wavelength region. And PL intensity is also decreasing with the increase in Te content.

すでに述べたとおり、試料2〜5は、ZnO、ZnS、及び、Mn+2O相を含んでいる。そして、緑色のルミネッセンスで知られるZnOは、本実施例において観察されたフォトルミネッセンス(PL)の原因ではない。一方ZnSは、Mnを添加するとともに黄色ルミネッセンスを示す。また、ZnSは、3%Mn及び6%Teがドープされた薄膜で、弱い赤色ルミネッセンスを発することが観察された。   As already mentioned, Samples 2 to 5 contain ZnO, ZnS, and Mn + 2O phases. And ZnO known for green luminescence is not the cause of the photoluminescence (PL) observed in this example. On the other hand, ZnS exhibits yellow luminescence while adding Mn. Also, ZnS was observed to emit weak red luminescence in a thin film doped with 3% Mn and 6% Te.

母体としてのZnSに加えてMn及びTeを含む試料をいくつか調製した。4%MnTeを含んだ試料(ZnS0.96MnTe0.04)のPLスペクトルを図12に示す。同図に示すように、この試料のルミネッセンスは弱く、励起スペクトルは400nm〜500nmの波長範囲において複数の励起バンドを示した。ほとんどのルミネッセンスは約490nm〜500nmの励起波長から生じる。これらの試料のバンドギャップは約2.94evであり、これはZnSのバンドギャップに近い値である。
これは図10、図11に示すような混相による発光と異なっており、全く違う相による発光であると示している。
Several samples containing Mn and Te in addition to ZnS as a matrix were prepared. FIG. 12 shows a PL spectrum of a sample containing 4% MnTe (ZnS 0.96 MnTe 0.04 ). As shown in the figure, the luminescence of this sample was weak, and the excitation spectrum showed a plurality of excitation bands in the wavelength range of 400 nm to 500 nm. Most luminescence arises from excitation wavelengths between about 490 nm and 500 nm. The band gap of these samples is about 2.94 ev, which is close to the band gap of ZnS.
This is different from the light emission by the mixed phase as shown in FIG. 10 and FIG. 11, and shows that the light emission is by a completely different phase.

〔応力発光(Mechanoluminescence)〕
図13は、黄色ルミネッセンスを発するZnO0.6MnS0.4及びZnO0.5MnS0.5に、1000Nの力を加えたときのML(mechanoluminescence、応力発光)
シグナルを示すものである。また、図14は、赤色ルミネッセンスを発するZnO0.6MnS0.35MnTe0.05及びZnO0.6MnS0.37MnTe0.03に、1000Nの力を加えたときのMLシグナルを示している。図13及び図14に示すように、上記の試料は、何れも応力発光を示すものであることが分かる。
[Mechanoluminescence]
FIG. 13 shows ML (mechanoluminescence, stress emission) when a force of 1000 N is applied to ZnO 0.6 MnS 0.4 and ZnO 0.5 MnS 0.5 emitting yellow luminescence.
Indicates a signal. FIG. 14 shows ML signals when a force of 1000 N is applied to ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05 and ZnO 0.6 MnS 0.37 MnTe 0.03 emitting red luminescence. Yes. As shown in FIGS. 13 and 14, it can be seen that all of the above samples exhibit stress luminescence.

〔サーモルミネッセンス(Thermoluminescence)〕
図15に、ZnO0.6MnS0.35MnTe0.05を2つの温度(850℃及び950℃)で調製したものについて、低温フォトルミネッセンスを行った結果を示す。一般に、PL強度は低温で増すが、図14には、950℃で調製した試料においては、低温になるほどルミネッセンス強度が減少することが示されている。
[Thermoluminescence]
FIG. 15 shows the results of low-temperature photoluminescence of ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05 prepared at two temperatures (850 ° C. and 950 ° C.). In general, the PL intensity increases at a low temperature, but FIG. 14 shows that in the sample prepared at 950 ° C., the luminescence intensity decreases as the temperature decreases.

図16及び図17に、850℃及び950℃で調製した、上記ZnO0.6MnS0.35MnTe0.05の試料について、異なる速度で温度を上昇させたときのグロー曲線を示す。図16及び図17から、950℃で調製されたものは3つのトラップ(trap)を示すのに対して、850℃で調製されたものは2つしかトラップを示さなかった。 FIG. 16 and FIG. 17 show glow curves when the temperature is increased at different speeds for the ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05 samples prepared at 850 ° C. and 950 ° C. From FIG. 16 and FIG. 17, those prepared at 950 ° C. showed 3 traps, whereas those prepared at 850 ° C. showed only 2 traps.

〔本実施例のまとめ〕
高い黄色ルミネッセンスの示したものは、850℃〜900℃の範囲の条件で、真空密封条件下または密閉雰囲気制御型固体合成装置により作製されたZnO0.6Mns0.4の原料とした試料であった。そして、調製段階において、上記試料の原料に数%のMnTeを加えることによって、ルミネッセンスの色が赤色に変化した。0.1−5%Teの添加はZn、Mn、O、S元素を含む原料で強い赤色発光体を合成するために、Teが必要不可欠である。
[Summary of this example]
The sample with high yellow luminescence is a sample as a raw material of ZnO 0.6 Mns 0.4 produced in a vacuum sealed condition or a closed atmosphere control type solid synthesizer under the condition of 850 ° C. to 900 ° C. there were. In the preparation stage, the luminescence color changed to red by adding several percent of MnTe to the raw material of the sample. The addition of 0.1-5% Te is indispensable for synthesizing a strong red luminescent material with a raw material containing Zn, Mn, O, and S elements.

XRDで観察された相は、ZnO、ZnS及びMn+2Oであった。MnTeあるいはZnTeを高濃度で含む混成物についても同様に調製した。ZnO相を含まない複数の試料でルミネッセンスが観察されたことから、ZnO相単独によるルミネッセンスは上記黄色及び赤色のルミネッセンスの原因から除外することができる。   The phases observed by XRD were ZnO, ZnS and Mn + 2O. A hybrid containing a high concentration of MnTe or ZnTe was similarly prepared. Since luminescence was observed in a plurality of samples not containing the ZnO phase, the luminescence by the ZnO phase alone can be excluded from the cause of the yellow and red luminescence.

XRD強度のピーク及びMn+2Oのピーク位置の何れとも、PL強度は相関関係があることが認めれられた。おそらく、硫黄(S)の添加に加えて、亜鉛(Zn)と混合されることにより生じるものと考えられるMn+2O相の格子収縮が、強い赤色ルミネッセンスが発生する必要条件である可能性が高い。本実施例の試料において観察された約2.0eVの光学バンドギャップは、Mn+2O相に起因するものと考えられる。   It was recognized that the PL intensity has a correlation with both the peak of XRD intensity and the peak position of Mn + 2O. Presumably, in addition to the addition of sulfur (S), lattice shrinkage of the Mn + 2O phase, which is thought to be caused by mixing with zinc (Zn), is likely a necessary condition for generating strong red luminescence. The optical band gap of about 2.0 eV observed in the sample of this example is considered to be due to the Mn + 2O phase.

ZnS及びMn+2Oが、ZnOとMnSとの相互反応から同時に形成され、ZnS相の存在は強いルミネッセンスを発生させるもう1つの必要条件である。さらにZnO相が共存することによりルミネッセンスが強くなる。   ZnS and Mn + 2O are formed simultaneously from the interaction of ZnO and MnS, and the presence of the ZnS phase is another requirement for generating strong luminescence. Further, the luminescence is enhanced by the coexistence of the ZnO phase.

そして、望ましい相であるZnS及びMn+2Oを含んだ多くの試料が、発光及び励起スペクトルの形に関係なく、弱いルミネッセンスを示した。これらの試料のバンドギャップは、ZnSのバンドギャップに近く、高ルミネッセンス試料のバンドギャップとは全く合致しなかった。   Many samples containing the desired phases ZnS and Mn + 2O showed weak luminescence regardless of the shape of the emission and excitation spectra. The band gaps of these samples were close to those of ZnS and did not match the band gaps of the highly luminescent samples at all.

最も高い応力発光を示した試料は、高真空密封アンプルを用いて調製したものであるから、真空度を高くすることにより応力発光が改善された。また、真空度は10−1Pa以上、すなわち高真空密封アンプル内の圧力が10−1Pa未満であることが好ましい。 Since the sample exhibiting the highest stress luminescence was prepared using a high vacuum sealed ampoule, the stress luminescence was improved by increasing the degree of vacuum. The degree of vacuum is preferably 10 −1 Pa or higher, that is, the pressure in the high vacuum sealed ampoule is preferably less than 10 −1 Pa.

〔実施の形態2〕
本実施の形態においては、Pr3+添加(ドープ)BaTiO−CaTiOセラミックにおける電気・機械・光変換について説明する。
[Embodiment 2]
In the present embodiment, electrical / mechanical / light conversion in Pr 3 + -added (doped) BaTiO 3 —CaTiO 3 ceramic will be described.

いわゆる、インテリジェントな(intelligent)材料、又はスマートな(smart)材料とは、他の同種の材料と同様に、検知する機能及び作動機能を実現可能なものである。このような特質を有する材料は近年注目を集めている。電場、機械的応力あるいは歪み、及び、光との相互変換作用を図18に示す。同図では、電場(electric field)と歪み(stress or strain)と光(Light)との物理的相互作用としては、圧電効果または電歪効果(Piezoelectric or inverse Electrostriction)、電場発光(Electroluminescence)、電気光学効果(Electro-optic effect)、光歪効果(Photostriction)、及び、応力発光(Mechanoluminescence)を示している。   A so-called intelligent material or smart material is a material capable of realizing a detecting function and an operating function like other similar materials. In recent years, materials having such characteristics have attracted attention. FIG. 18 shows the electric field, mechanical stress or strain, and the mutual conversion action with light. In the figure, the physical interaction between electric field, stress or strain, and light includes piezoelectric or inverse electrostriction, electroluminescence, and electricity. It shows an optical effect (Electro-optic effect), a photostriction effect (Photostriction), and stress luminescence (Mechanoluminescence).

これまで、このような材料の研究や応用においては、2つのパラメーターを組み合わせることにより考察されることが多かった。例えば、電気・機械相互作用(圧電と電歪効果)、機械・光相互作用(応力発光と光歪)、及び、電気・光学相互作用(電場発光と電気光学効果)等である。機能性材料及び装置がこれまでに著しく発展してきたように、さらに多くの機能を備えた材料及び装置の開発が切望されている。   Until now, research and application of such materials have often been considered by combining two parameters. For example, electro-mechanical interaction (piezoelectric and electrostrictive effect), mechanical-optical interaction (stress emission and photostriction), and electro-optical interaction (electroluminescence and electrooptic effect). As functional materials and devices have evolved significantly, the development of materials and devices with more functions is eagerly desired.

本実施の形態においては、多機能材料であるPr3+を添加(ドープ)したBaTiO−CaTiOセラミックについて、その圧電効果、電歪効果、応力発光、および電場発光を見出すことで、電気エネルギー・機械エネルギー・光学エネルギーの間の相互変換について調べた結果について示す。 In the present embodiment, by finding the piezoelectric effect, electrostrictive effect, stress luminescence, and electroluminescence of BaTiO 3 —CaTiO 3 ceramic added with (doped) Pr 3+ which is a multifunctional material, The result of examining the interconversion between mechanical energy and optical energy is shown.

電歪(ES)アクチュエータは、電気エネルギーを直接機械的エネルギーに変換するものであって、アクチュエータの位置を、印加される電圧により調節可能であるから、光学、天文学、流体制御、精密機械加工等の、多様な広範囲の領域で用いられる。   Electrostrictive (ES) actuators convert electrical energy directly into mechanical energy, and the position of the actuator can be adjusted by the applied voltage, so optics, astronomy, fluid control, precision machining, etc. Used in a wide variety of areas.

広い意味での応力発光(mechanoluminescence、適宜MLという)は、固体に対して機
械的な応力が加わったときの破壊あるいは変形から生じるものであり、このような発光をそれぞれ、破壊発光(fractoluminescence、適宜FLという)、変形発光(deformation luminescence、適宜DLという)と呼ぶ。これらのうちでも、DLは非破壊なので、より実用に適している。
Stress luminescence in a broad sense (mechanoluminescence, sometimes referred to as ML) is caused by destruction or deformation when mechanical stress is applied to a solid. Such luminescence is referred to as fractoluminescence, as appropriate. FL) and deformation luminescence (referred to as DL as appropriate). Among these, DL is more suitable for practical use since it is non-destructive.

新規のDL材料とその特性を調べる方法が開発され、そしてDL材料の評価方法は改善されてきた。このような材料は、今や応力分布の可視化、高性能のセンサ及び自己診断系への利用を図っている。本実施の形態における応力発光とは、このような非破壊の変形発光のことをいう。電場発光(EL)は、熱エネルギーを発生せずに、電気エネルギーが光エネルギーに変換される現象であり、フラットパネルディスプレイに広く用いられている。   New DL materials and methods for investigating their properties have been developed and methods for evaluating DL materials have been improved. Such materials are now being used for visualization of stress distributions, high performance sensors and self-diagnostic systems. The stress light emission in this embodiment means such nondestructive deformation light emission. Electroluminescence (EL) is a phenomenon in which electrical energy is converted into light energy without generating thermal energy, and is widely used in flat panel displays.

上述した3つの効果(ES、ML、そしてEL)は、後述するとおり、Pr3+が添加されたBaTiO−CaTiOの混相セラミックによって、同時に実現することが可能である。電圧の印加は機械的な歪み及び光の放出を引き起こし、機械的応力は電気シグナル(圧電及び逆電歪効果)と光の放出とを引き起こす。この種の多機能材料を用いることにより、電気的、物理的、光学的シグナルに同時に反応することが可能な、複雑な検出
・作動システムアプリケーションを実現することができる。
The three effects (ES, ML, and EL) described above can be simultaneously realized by a mixed phase ceramic of BaTiO 3 —CaTiO 3 to which Pr 3+ is added, as will be described later. Application of voltage causes mechanical strain and light emission, and mechanical stress causes electrical signals (piezoelectric and counterelectrostrictive effects) and light emission. By using this type of multifunctional material, complex detection and actuation system applications that can respond simultaneously to electrical, physical and optical signals can be realized.

60年程前に発見されたチタン酸バリウム(BaTiO)は、研究対象とされた初めてのペロブスカイト型強誘電性・圧電性材料であったが、圧電性/電歪性の分野で、ジルコン酸チタン酸鉛に取って代わられた。しかし、近年、地球環境の保護の動きが高まるにつれて、鉛を含まない材料が注目を集め始めている。そこで、BaTiOを主とする材料の研究は再び盛んになり、単結晶及びドープされたセラミックにおいて、高電歪のものが得られている。 Barium titanate (BaTiO 3 ) discovered about 60 years ago was the first perovskite ferroelectric / piezoelectric material that was the subject of research. In the field of piezoelectricity / electrostriction, zirconate It was replaced by lead titanate. In recent years, however, lead-free materials have begun to attract attention as the movement to protect the global environment increases. Therefore, research on materials mainly composed of BaTiO 3 has become active again, and single crystals and doped ceramics with high electrostriction have been obtained.

BaTiOのBa2+にCa2+が置き換わることにより、xが0.21以下の範囲では、Ba1−xCaTiO固溶体になることが知られている。これによってキュリー点(立方晶常誘電性−正方晶強誘電性転移温度)はわずかに変化するだけだが、正方晶−斜方晶転移温度は著しく低くなる。このように正方晶−斜方晶転移温度が低くなるということは、圧電性/電歪性の温度安定性を高め、実用へ応用するにあたって非常に好ましいことである。 It is known that by replacing Ca 2+ with Ba 2+ of BaTiO 3 , a Ba 1-x Ca x TiO 3 solid solution is obtained when x is in the range of 0.21 or less. This only slightly changes the Curie point (cubic paraelectric to tetragonal ferroelectric transition temperature), but the tetragonal to orthorhombic transition temperature is significantly reduced. The lowering of the tetragonal-orthorhombic transition temperature in this way is very preferable for improving the temperature stability of piezoelectricity / electrostriction and applying it to practical use.

溶解限界(x=0.21)を超えた状態においては、全体に占めるCaTiOの割合が90mol%に達するまでの領域が、不溶領域となっている。このような領域における2つの結晶相が共存する材料(混相)は、今までは注目されなかった。しかし、固溶限界の組成で構成する材料は、さらに優れた機能を示す可能性を有するという点で、固溶限界の固溶体に注目されている。実際、Pb(Zn1/3Nb2/3)TiO−PbTiO(PZN−PT)及びPb(Mg1/3Nb2/3)TiO−PbTiO(PMN−PT)のような、鉛を主成分とする超高歪材料の組成は、相変化が生じる境界(morphotropic phase boundary(MBP))の近傍に位置している。高歪は、正方晶と斜方晶と
いう2つの等価なエネルギー状態が共役することにより生じると考えられる。
In a state where the solubility limit (x = 0.21) is exceeded, the region until the proportion of CaTiO 3 in the whole reaches 90 mol% is an insoluble region. A material (mixed phase) in which two crystal phases coexist in such a region has not been noticed until now. However, a material composed of a composition having a solid solution limit has attracted attention as a solid solution having a solid solution limit in that it has a possibility of exhibiting a further excellent function. Indeed, lead, such as Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) TiO 3 —PbTiO 3 (PZN-PT) and Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) TiO 3 —PbTiO 3 (PMN-PT) The composition of the ultra-high strain material containing as the main component is located in the vicinity of the boundary (morphotropic phase boundary (MBP)) where the phase change occurs. High strain is considered to be caused by conjugation of two equivalent energy states, tetragonal and orthorhombic.

一方、三価のプラセオジム(Pr3+)が添加(ドープ)されたチタン酸カルシウム(CaTiO)は、室温で強い赤色ルミネッセンスを示すことが報告されている。しかし、Pr3+をドープした(1−x)BaTiOxCaTiO(x>0.21)混成物あるいは複数の結晶相を含む混相材料は、非常に優れた電気機械的、応力発光性、そして電場発光性を示すものは本発明により初めて見出した。 On the other hand, calcium titanate (CaTiO 3 ) added (doped) with trivalent praseodymium (Pr 3+ ) has been reported to exhibit strong red luminescence at room temperature. However, Pr 3+ doped (1-x) BaTiO 3 xCaTiO 3 (x> 0.21) hybrids or mixed phase materials containing multiple crystalline phases are very good electromechanical, stress luminescent and electric fields The thing which shows luminescent property was discovered for the first time by this invention.

なお、BaTiO及びCaTiOは何れも、単独では上記の特性において劣っているか、あるいは上記の特性が全くない。 In addition, BaTiO 3 and CaTiO 3 are both inferior in the above characteristics alone or do not have the above characteristics at all.

本実施の形態の発光材料は、(Ca1−xPrBa1−yTiO,(Mg1−xA’Ba1−yTiO,(Sr1−xPr)yBa1−yTiO,(0.0001≦x≦0.05,0.01≦y≦0.99)からなるものであるが、Prは、Dy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素であってもよい。 Luminescent material of this embodiment, (Ca 1-x Pr x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A 'x) y Ba 1-y TiO 3, (Sr 1-x Pr x) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.01 ≦ y ≦ 0.99), and Pr is Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, It may be a rare earth element selected from the group consisting of Nd, Tb, Pr and Er.

以下に、本発明の本実施形態について、実施例を示して詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present embodiment of the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

本実施例では、複数の結晶相が共存する混相で、溶解限度を超えた近傍にあるPr3+ドープ(1−x)BaTiO3−xCaTiOセラミック(x=0.25〜0.30)において、BaTiOセラミックの電歪より176%も高い、0.264%の大きな電歪(electrostrictive (ES) strain)と、強い赤色応力発光(mechanoluminescence ML)と、電場発光(electroluminescense(EL))と、が観察された。このPr3+添加(1
−x)BaTiO3−xCaTiOセラミックは、強誘電性正方晶のBa0.77Ca0.23TiO3:Pr固溶体と、標準的な誘電性の斜方晶のBa0.1Ca0.9TiO:Pr固溶体とからなる混相のセラミックである。
In this example, in a mixed phase in which a plurality of crystal phases coexist, Pr 3+ doped (1-x) BaTiO 3− xCaTiO 3 ceramic (x = 0.25 to 0.30) in the vicinity exceeding the solubility limit, The electrostrictive (ES) strain of 0.264%, 176% higher than the electrostriction of BaTiO 3 ceramic, strong red stress luminescence (mechanoluminescence ML) and electroluminescence (electroluminescense (EL)) Observed. This Pr 3+ addition (1
-X) BaTiO 3- xCaTiO 3 ceramic, ferroelectric tetragonal Ba 0.77 Ca 0.23 TiO3: Pr solid solution, orthorhombic standard dielectric Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : A mixed phase ceramic composed of Pr solid solution.

上記セラミックにおいて認められた、増長されたES並びに新たに見出されたML及びELは、Pr3+が添加(ドープ)されたBaTiOを主とする固溶体、及びCaTiOを主とする固溶体においては認められないものである。これらは、混相セラミック内で、Ba0.1Ca0.9TiO:Pr内の大きなイオン分極と、Ba0.77Ca0.23TiO:Pr内の強誘電性領域(強誘電性領域ドメイン、ferroelectric domains)とが強く相互作用することによって生じるものである。 The augmented ES and newly discovered ML and EL found in the above ceramics are the solid solution mainly composed of BaTiO 3 doped with (doped) Pr 3+ and the solid solution mainly composed of CaTiO 3. It is not allowed. These are the large ionic polarization in Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr and the ferroelectric region (ferroelectric region in Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr in the mixed phase ceramic. This is caused by the strong interaction between the domains (ferroelectric domains).

〔実験方法〕
本実施例では、Ba1−x−yCaPrTiO(x=0、0.20,0.23,0.25,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70,0.80,0.90,0.95,1.0、y=0.002)の化学量論的組成に基づき、固相反応方法を用いて、Pr3+ドープBaTiO−CaTiOセラミックを調製した。より具体的には、所定の組成比に秤量したものを、エタノールを加えてボールミルを用いて均一に混合し、酸素雰囲気中において、1400℃で4時間加熱することにより調製した。以下、試料の組成は、[(1−x)BaTiO3−xCaTiO]:Prのように簡略化して示す。また、適宜、xの小数点以下2桁の数字●●を用いて、BCT−●●と表すこととする。例えば、Ba0.68Ca0.30TiO:Pr0.02をBCT−30とする。
〔experimental method〕
In this example, Ba 1-xy Ca x Pr y TiO 3 (x = 0, 0.20, 0.23, 0.25, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, Based on the stoichiometric composition of 0.70, 0.80, 0.90, 0.95, 1.0, y = 0.002), using a solid phase reaction method, Pr 3+ doped BaTiO 3 —CaTiO Three ceramics were prepared. More specifically, what was weighed to a predetermined composition ratio was prepared by adding ethanol, mixing uniformly using a ball mill, and heating at 1400 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere. Hereinafter, the composition of the sample, [(1-x) BaTiO3 -xCaTiO 3]: showing in simplified as Pr. In addition, it will be expressed as BCT- ●● where appropriate using a two-digit number ●● after the decimal point of x. For example, Ba 0.68 Ca 0.30 TiO 3 : Pr 0.02 is designated as BCT-30.

図19に[(1−x)BaTiO3−xCaTiO]:Prのxの値を、1.0〜0.2の範囲で変化させた試料のXRDパターンを示す。同図に示すように、X=1.0及び0.95の試料のXRDでは、図中にOで示した斜方晶のピークのみが認められ、X=0.20及び0.23の試料のXRDでは、図中にTで示した正方晶のピークのみが認められるのに対し、X=0.25〜0.90の試料のXRDでは斜方晶及び正方晶のピークが認められる。構造解析の結果、x<0.25の試料は単相の正方晶Ba1−xCaxTiO:Pr固溶体であり、0.90<xの試料は単相の正方晶Ba1−xCaxTiO:Pr固溶体であり、0.25≦x≦0.90の試料は正方晶Ba0.77Ca0.23TiO:Pr固溶体と斜方晶Ba0.1Ca0.9TiO:Pr固溶体との2相共存状態の混相となっていることが明らかとなった。Pr固溶させる事により、Caの固溶限界は0.21から0.23に向上した。 Figure 19 [(1-x) BaTiO3 -xCaTiO 3]: the value of Pr in the x, showing an XRD pattern of a sample was varied in the range of 1.0 to 0.2. As shown in the figure, in the XRD of the samples with X = 1.0 and 0.95, only the orthorhombic peak indicated by O is recognized in the figure, and the samples with X = 0.20 and 0.23 In the XRD, only the tetragonal peak indicated by T in the figure is recognized, whereas in the XRD of the sample with X = 0.25 to 0.90, the orthorhombic and tetragonal peaks are recognized. As a result of structural analysis, the sample of x <0.25 is a single-phase tetragonal Ba 1-x CaxTiO 3 : Pr solid solution, and the sample of 0.90 <x is a single-phase tetragonal Ba 1-x CaxTiO 3 : Samples of Pr solid solution with 0.25 ≦ x ≦ 0.90 are tetragonal Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr solid solution and orthorhombic Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr solid solution It became clear that it was a mixed phase of the two-phase coexistence state. The solid solution limit of Ca was improved from 0.21 to 0.23 by dissolving Pr.

x=0.30の試料(BCT−30)について構造解析を行って得られた、XRDスペクトルと顕微鏡写真図とを図20示す。同図のXRDスペクトルに示すように、正方晶Ba0.77Ca0.23TiO:Pr固溶体の(110)面のピークTと、斜方晶Ba0.1Ca0.9TiO:Pr固溶体の(121)面のピークと、が存在しており、2相が共存していることが明確に確認できる。さらに、写真に黒い小さい粒子は斜方晶Ba0.1Ca0.9TiO:Pr固溶体(チタン酸カルシウム)、白い大きい粒子は正方晶Ba0.77Ca0.23TiO:Pr(チタン酸バリウム)であり、小さい粒子は大きい粒子の粒界に均一に分散されている。 FIG. 20 shows an XRD spectrum and a micrograph obtained by conducting a structural analysis on a sample (BCT-30) where x = 0.30. As shown in the XRD spectrum of the figure, the peak T on the (110) plane of the tetragonal Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr solid solution and the orthorhombic Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr There is a peak on the (121) plane of the solid solution, and it can be clearly confirmed that two phases coexist. Further, the black small particles in the photograph are orthorhombic Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr solid solution (calcium titanate), and the white large particles are tetragonal Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr (titanium). Small particles are uniformly dispersed at the grain boundaries of the large particles.

Pr3+は、2相共存状態の混相において、Ba2+及びCa2+の両方と置き換わることができる。Pr3+は、強誘電性正方晶相内のBa2+と置き換わることで強誘電性の特性を増長し、斜方晶相内のCa2+と置き換わることで赤色発光中心を供給する。 Pr 3+ can replace both Ba 2+ and Ca 2+ in a two-phase coexisting state. Pr 3+ enhances the ferroelectric properties by replacing Ba 2+ in the ferroelectric tetragonal phase, and supplies red emission centers by replacing Ca 2+ in the orthorhombic phase.

図21に、BCT−20、23、25、30、40、50の電歪(ES)特性を示す。同図に示すように、本実施例の混相状態にある試料は優れた電歪特性を示した。特に、2相共存状態となる、2相領域内の溶解限界近傍にあるBCT−25,30は、何れもきれ
いなバタフライカーブを描いた。これは、図22に示す電場に対する分極のグラフが描くヒステリシスループに合致している。また、図22に示されたヒステレス特性から、BCT−20、23、25、30、40、50の強誘電特性が優れていることが分かる。
FIG. 21 shows the electrostriction (ES) characteristics of BCT-20, 23, 25, 30, 40, and 50. As shown in the figure, the sample in the mixed phase state of this example showed excellent electrostrictive characteristics. In particular, both BCT-25 and 30 in the vicinity of the solubility limit in the two-phase region, which are in a two-phase coexistence state, drew a beautiful butterfly curve. This agrees with the hysteresis loop drawn by the polarization graph with respect to the electric field shown in FIG. Further, it can be seen from the hysteresis characteristics shown in FIG. 22 that the ferroelectric characteristics of BCT-20, 23, 25, 30, 40, and 50 are excellent.

±55kV/cm、Hzの駆動電場において、BCT−25(x=0.25)が0.264%程度の強い電歪を達成した。この電歪の値は、BaTiOセラミックの電歪より176%高い、すなわち、BaTiOセラミックの電歪を100%とすると、BCT−25の電歪は176%となる。 BCT-25 (x = 0.25) achieved strong electrostriction of about 0.264% in a driving electric field of ± 55 kV / cm and Hz. The value of this electrostriction is 176% higher than the electrostriction of the BaTiO 3 ceramic. That is, if the electrostriction of the BaTiO 3 ceramic is 100%, the electrostriction of BCT-25 is 176%.

[(1−x)BaTiO3−xCaTiO3]:Pr試料の2相領域(0.25≦x≦0.90)において、x=0.60のBCT−60は、強いML及びEL放出を実現した。図23にBCT−60のML(Mechanoluminescence)を示す。図23(a)、(b)
は圧力を加えている間、肉眼で観察可能な赤色ML放出をしているBCT−60ペレットを示しており、図23(c)は、ML強度が加えられる圧力に比例することを示している。なお、図23(c)では、上側の曲線がML強度を示しており、下側の曲線はBCT−60ペレットに加えられた圧力の大きさを示している。なお、ここでは、BCT−60の結果について具体的に説明したが、後述するように2相領域(0.25≦x≦0.90)の試料は、何れも同様の性質を示すことを確認している。なお、これらの性質は、Pr3+がドープされたBaTiOまたはCaTiOには、全く存在しないものである。また、上記した[(1−x)BaTiO3−xCaTiO3]:Pr試料の2相領域(0.25≦x≦0.90)について確認された現象は、以前Eu2+をドープした単一相SrAlについて出願人が既に確認している応力発光現象と同様なものであるが、結晶相は全く異なっており、発光スペクトルも異なる。
[(1-x) BaTiO3-xCaTiO3]: In the two-phase region (0.25 ≦ x ≦ 0.90) of the Pr sample, BCT-60 with x = 0.60 realized strong ML and EL emission. FIG. 23 shows ML (Mechanoluminescence) of BCT-60. FIG. 23 (a), (b)
Shows BCT-60 pellets emitting red ML observable with the naked eye while applying pressure, and FIG. 23 (c) shows that ML intensity is proportional to the applied pressure. . In FIG. 23C, the upper curve indicates the ML intensity, and the lower curve indicates the magnitude of the pressure applied to the BCT-60 pellet. In addition, although the result of BCT-60 was specifically described here, it was confirmed that all the samples in the two-phase region (0.25 ≦ x ≦ 0.90) showed the same properties as described later. is doing. These properties are not present at all in BaTiO 3 or CaTiO 3 doped with Pr 3+ . Further, the above-mentioned [(1-x) BaTiO3- xCaTiO3]: phenomenon has been confirmed for the two-phase region (0.25 ≦ x ≦ 0.90) of Pr samples single phase SrAl 2 doped with previously Eu 2+ Although it is the same as the stress luminescence phenomenon that the applicant has already confirmed for O 4 , the crystal phase is completely different and the emission spectrum is also different.

BCT−60の電場発光特性(EL)を図24に示す。同図に示すように、交流電源(60Hz)を‘on’にしたとき、EL強度は大きく減衰した後、電場によって若干変化しながらも安定していく。このように、BCT−60は、電場発光特性が優れていることが示されている。なお、同図中の拡大図は、Time=3100〜3125の範囲を拡大したものである。図25にEL強度と電場の大きさとの関係を示す。同図に示すように、電場が大きくなることに伴ってEL強度も大きくなることが分かる。   The electroluminescence characteristic (EL) of BCT-60 is shown in FIG. As shown in the figure, when the AC power supply (60 Hz) is set to “on”, the EL intensity attenuates greatly and then stabilizes while slightly changing depending on the electric field. Thus, BCT-60 has been shown to have excellent electroluminescence characteristics. In addition, the enlarged view in the figure expands the range of Time = 3100-3125. FIG. 25 shows the relationship between the EL intensity and the magnitude of the electric field. As shown in the figure, it can be seen that the EL intensity increases as the electric field increases.

また、図26にBCT−30の電場発光特性(EL)を示す。同図に示されているように、BCT−30もBCT−60同様に、優れた電場発光特性を示していることが分かる。このように、混相は電場発光特性において優れている。   FIG. 26 shows the electroluminescence characteristics (EL) of BCT-30. As shown in the figure, it can be seen that BCT-30, as well as BCT-60, exhibits excellent electroluminescence characteristics. Thus, the mixed phase is excellent in electroluminescence characteristics.

次にML及びELの放出における特徴を明らかにするために、ML及びELのスペクトルと光ルミネッセンス(PL)のスペクトルとを比較した。BCT−30について、ML、EL、及び、PLのスペクトルを重ねて記載したグラフを図27に示す。また、BCT−60について同様のスペクトルを重ねて記載したグラフを図28に示す。   Next, in order to characterize the emission of ML and EL, the spectrum of ML and EL was compared with the spectrum of photoluminescence (PL). FIG. 27 shows a graph in which ML, EL, and PL spectra are overlapped for BCT-30. FIG. 28 shows a graph in which the same spectrum is overlaid for BCT-60.

図27に示すように、BCT−30のML及びELのスペクトルのピークは、何れも618nmに位置しており一致しているが、PLのピーク(612nm)から少しシフトしている。この事実は、Pr3+ドープBaTiO−CaTiOセラミックのML、EL、及び、PLが、Pr3+ドープCaTiOと同じ発光中心から光を放出することを示している。すなわち、Pr3+ドープBaTiO−CaTiOセラミックのML、EL、及び、PLが、CaTiO−を主とするホストにおけるPr3+転移によって光を放出することを示している。 As shown in FIG. 27, the ML and EL spectrum peaks of BCT-30 are both located at 618 nm and coincide with each other, but are slightly shifted from the PL peak (612 nm). This fact indicates that the Pr 3+ doped BaTiO 3 —CaTiO 3 ceramic ML, EL, and PL emit light from the same emission center as the Pr 3+ doped CaTiO 3 . That is, it shows that ML, EL, and PL of Pr 3+ doped BaTiO 3 —CaTiO 3 ceramic emit light by Pr 3+ 1 D 2 −3 H 4 transition in a host mainly composed of CaTiO 3 − Yes.

以上に述べた現象は、Ba0.1Ca0.9TiO3:Prのイオン分極と、Ba0.77Ca0.23TiO:Pr内の強誘電性領域(ferroelectric domain)との間の強
い相互作用のモデルを用いて説明することができる。第一に、我々はES、ML及びELを制御する要素について調べた。電歪(ES)は、外部の電場によって駆動される非180°ドメイン回転(non-180°domain rotation)から生じると考えられている。また、ML及びELはどちらも、固体内の圧電及び転位と強く結びついており、これらは、もしそれが特定の効率をもつ発光中心を有していれば、強いML及びELを示すであろう。
The phenomenon described above is strong between the ionic polarization of Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr and the ferroelectric domain in the Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr. This can be explained using a model of interaction. First, we investigated the elements that control ES, ML and EL. Electrostriction (ES) is believed to arise from non-180 ° domain rotation driven by an external electric field. Both ML and EL are also strongly associated with piezoelectrics and dislocations in the solid, which will show strong ML and EL if they have a luminescent center with a specific efficiency. .

本実施例においては、[(1−x)BaTiO−xCaTiO]:Pr(0.25≦x0.90)セラミックは、正方晶Ba0.77Ca0.23TiO:Pr固溶体、及び斜方晶Ba0.1Ca0.9TiO:Pr固溶体を含む混相である。広い温度範囲(少なくとも−180℃〜120℃の範囲)において、前者は強誘電性であり、後者は常誘電性を有するものである。 In this example, [(1-x) BaTiO 3 −xCaTiO 3 ]: Pr (0.25 ≦ x0.90) ceramic is tetragonal Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr solid solution, and oblique It is a mixed phase containing a tetragonal Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr solid solution. In a wide temperature range (at least in the range of −180 ° C. to 120 ° C.), the former is ferroelectric and the latter is paraelectric.

CaTiOは初期の強誘電性(incipient ferroelectric)つまり強誘電性様の性質
を示す。Ba0.1Ca0.9TiO:Prは、CaTiO:Prよりも大きなイオン分極を有するので、CaTiO:Prが有する誘電定数(約145)よりも大きな誘電定数(約200)を示す。
CaTiO 3 exhibits initial ferroelectricity, ie ferroelectric-like properties. Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3: Pr is, CaTiO 3: because it has a large ionic polarization than Pr, CaTiO 3: shows the Pr has a dielectric constant (about 145) larger dielectric constant than (about 200) .

本実施例の混相のセラミック(0.25≦x0.90)では、Ba0.1Ca0.9TiO:Pr粒子がセラミック中に分散している。すなわち、図20の(b)の写真を示す図において、濃い色の粒子であるBa0.1Ca0.9TiO:Pr粒子が、同図中において薄い色の粒子である強誘電性のBa0.77Ca0.23TiO:Pr粒子中に分散している。そして、Ba0.1Ca0.9TiO:Pr粒子のイオン分極は、囲んでいるBa0.77Ca0.23TiO:Pr粒子中の非180°ドメインと結びつく。このような分極は、外部の電場が存在する間における、セラミックの分極率及びドメイン回転能力を増強する。 In the mixed phase ceramic (0.25 ≦ x0.90) of this example, Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr particles are dispersed in the ceramic. That is, in the figure showing the photograph of FIG. 20B, the dark particles Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr particles are light-colored particles in FIG. Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Dispersed in Pr particles. And the ionic polarization of Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr particles is associated with the non-180 ° domains in the surrounding Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr particles. Such polarization enhances the polarizability and domain rotation capability of the ceramic in the presence of an external electric field.

したがって、溶解限界近傍のx=0.25である混相のセラミックでは大きな電歪が得られる。また、非強誘電性部分がかなり多いにも関わらず、x=0.30の試料の電歪は、0.11%という大きな値を保持していた。   Therefore, a large electrostriction can be obtained in a mixed phase ceramic in which x = 0.25 near the solubility limit. In addition, the electrostriction of the sample with x = 0.30 maintained a large value of 0.11% despite the considerable amount of non-ferroelectric portions.

Pr3+添加BaTiO及びBa1−xCaxTiO固溶体(x<0.25)ではルミネッセンスが弱いことから、[(1−x)BaTiO−xCaTiO]:Pr(0.25≦x≦0.90)の混相の強い赤色発光は、Ba0.1Ca0.9TiO:Pr相に強く関連するものと考えられる。 Since Pr 3 + -added BaTiO 3 and Ba 1-x CaxTiO 3 solid solution (x <0.25) have weak luminescence, [(1-x) BaTiO 3 −xCaTiO 3 ]: Pr (0.25 ≦ x ≦ 0. 90) The strong red light emission in the mixed phase is considered to be strongly related to the Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr phase.

混相のセラミック(図20参照)では、Ba0.1Ca0.9TiO:PrとBa0.77Ca0.23TiO:Prの粒子は、3次元方向に強く結合しており、またナノ及びマイクロメートルのスケールで3次元方向に相互作用している。このような状態は、市販の製品には見られないものである。市販の製品では、強誘電性と発光性とを備えた薄膜は、当該膜を構成する粒子の物理的な接触及び相互作用は、何れも1次元方向に沿ったものである。 In the mixed phase ceramic (see FIG. 20), particles of Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr and Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr are strongly bonded in the three-dimensional direction, and It interacts in three dimensions on the nano and micrometer scales. Such a state is not found in commercial products. In a commercially available product, a thin film having ferroelectricity and light emitting property has physical contact and interaction of particles constituting the film all along a one-dimensional direction.

機械的的圧力あるいは電場がセラミックに加えられたとき、強誘電性(圧電性でもある)のBa0.77Ca0.23TiO3:Pr粒子は、Ba0.1Ca0.9TiO:Prに対して表面電荷を供給し、Ba0.1Ca0.9TiO:Pr粒子を転位(dislocation)させる。そして、Ba0.1Ca0.9TiO:Pr粒子とBa0.77
0.23TiO:Pr粒子との強い相互作用によって、発光中心のキャリアが高エネルギー準位に励起される。以上のようにして、適切な遷移(transition)が起きたときにMLまたはEL放出が見られる。
When mechanical pressure or electric field is applied to the ceramic, the ferroelectric (also piezoelectric) Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr particles are Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr. A surface charge is supplied with respect to and dislocation of Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr particles. And Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr particles and Ba 0.77 C
Due to the strong interaction with the a 0.23 TiO 3 : Pr particle, the carrier at the emission center is excited to a high energy level. As described above, ML or EL emission is seen when an appropriate transition occurs.

BCT−60、70、80、90、95、100の測定結果のうち、励起(excitation)のスペクトルを図29に示し、発光(emission)のスペクトルを図30に示す。BCT−95は最も高い蛍光を示すことがわかった。なお、図29のEm:〜612nmは、発光波長が612nm時の励起スペクトルであること(Em=Emission=発光)、Ex:〜336nmは、励起波長が336nm時の発光スペクトルであることを示している。   Of the measurement results of BCT-60, 70, 80, 90, 95, and 100, the excitation spectrum is shown in FIG. 29, and the emission spectrum is shown in FIG. BCT-95 was found to show the highest fluorescence. 29, Em: to 612 nm is an excitation spectrum when the emission wavelength is 612 nm (Em = Emission = light emission), and Ex: to 336 nm is an emission spectrum when the excitation wavelength is 336 nm. Yes.

また、BCT−20、25、30、40、50の測定結果のうち、抗電場(Ec)及び残留分極(Pr)について、図31(a)(b)に示す。同図に示すように、本実施例の試料は何れも、抗電場Ecが低く、残留分極Prが高いことが分かる。また、BCT−20、23、25、30、40、50及び[BaTiO]:Pr(BT−pure)について、電気誘起ひずみを測定した結果を図32に示す。同図に示すように、本実施例の混相である試料は、[BaTiO]:Prよりはるかに高い電気誘起ひずみを示し、混相は優れる特性を示すことが分かる。 Further, among the measurement results of BCT-20, 25, 30, 40, and 50, the coercive electric field (Ec) and the remanent polarization (Pr) are shown in FIGS. 31 (a) and 31 (b). As shown in the figure, it can be seen that all the samples of this example have a low coercive electric field Ec and a high remanent polarization Pr. Moreover, BCT-20,23,25,30,40,50 and [BaTiO 3]: for Pr (BT-pure), shows the results of the strain electric induction was measured in Figure 32. As shown in the figure, the sample which is a mixed phase of the present example shows an electrically induced strain much higher than [BaTiO 3 ]: Pr, and it can be seen that the mixed phase exhibits excellent characteristics.

BCT−30、50、60、70について、印加される電圧(Electric field)と電場発光強度(EL Intensity)との関係を表したグラフを図33に示す。同図によれば、BCT−30、50、60、70は何れも、低電圧で発光するものであることが分かる。   FIG. 33 shows a graph showing the relationship between the applied voltage (Electric field) and the electroluminescence intensity (EL Intensity) for BCT-30, 50, 60, and 70. According to the figure, it can be seen that all of BCT-30, 50, 60, and 70 emit light at a low voltage.

Caの比率xを変化させた試料について、1Hz,50kV/cm条件下で、電歪特性を測定した結果を図34に示す。同図に示すように、Caの比率が25%〜90%(モル%)である混相の試料では、Pr及びCaの配合量を最適化することにより、単一相よりも大きく向上させることができた。特に、相固溶限界を超えた混相に位置する、図中にAで示したピーク上にあるCa30%の試料では、非常に高い0.264%もの電歪特性が認められた
Caの比率xを変化させた試料について、蛍光特性(紫外線励起発光)を測定した結果を図35に示す。同図に示すように、Pr及びCaの配合量を最適化することにより、蛍光特性を大きく向上させることができた。
FIG. 34 shows the results of measuring the electrostrictive characteristics of the sample with the Ca ratio x changed under the conditions of 1 Hz and 50 kV / cm. As shown in the figure, in the case of a mixed phase sample in which the Ca ratio is 25% to 90% (mol%), the amount of Pr and Ca can be optimized to be improved more than the single phase. did it. In particular, a very high electrostrictive property of 0.264% was observed in a sample of 30% Ca located on the peak indicated by A in the mixed phase exceeding the phase solubility limit. FIG. 35 shows the results of measuring the fluorescence characteristics (ultraviolet light emission) of the samples with different values. As shown in the figure, the fluorescence characteristics can be greatly improved by optimizing the blending amounts of Pr and Ca.

Caの比率xを変化させた試料について、電場発光を測定した結果を図36に示す。同図に示すように、Pr及びCaの配合量を最適化することにより、単一相ではない混相常態の試料によって電場発光機能を発現することができた。特に、図中にBで示したピークの存在するCaの比率xが約40−80%近傍にある混相の試料には、高い電場発光機能が認められた。また、Caの比率xが約60%である混相の試料に、最大の電場発光機能が認められた。   FIG. 36 shows the result of measuring the electroluminescence of the sample with the Ca ratio x changed. As shown in the figure, by optimizing the blending amounts of Pr and Ca, the electroluminescence function could be expressed by a mixed phase normal sample that was not a single phase. In particular, a high electroluminescence function was observed in a mixed-phase sample in which the Ca ratio x having a peak indicated by B in the figure is in the vicinity of about 40-80%. Further, the maximum electroluminescence function was observed in the mixed phase sample having a Ca ratio x of about 60%.

Caの比率xを変化させた試料について、応力発光を測定した結果を図37に示す。同図に示すように、図34の電歪のピークAに対応する、Caの比率xが約30%の位置、及び、図36の電場発光のピークBに対応する、Caの比率xが約60%の位置において、応力発光のピークが存在している。このことから、本実施例の試料の応力発光は、電歪・圧電と電場発光との相乗効果によって奏されるものであることがわかった。   FIG. 37 shows the result of measuring the stress luminescence for the sample with the Ca ratio x changed. As shown in the figure, the Ca ratio x corresponding to the electrostriction peak A in FIG. 34 is about 30%, and the Ca ratio x corresponding to the electroluminescence peak B in FIG. There is a peak of stress luminescence at the position of 60%. From this, it was found that the stress luminescence of the sample of this example was achieved by a synergistic effect of electrostriction / piezoelectricity and electroluminescence.

〔本実施例のまとめ〕
以上をまとめると、溶解限界を超えた混相領域近傍(0.25≦x≦0.30)にある[(1−x)BaTiO−xCaTiO]:Prセラミックにおいて、高い電歪、応力発光及び電場発光の全てを実現することができた。そして、2相性領域(0.25≦x≦0.90)では、Ba0.1Ca0.9TiO:Prの大きなイオン分極と、Ba0.77Ca0.23TiO:Prのドメインとの間の相互作用は、ES特性を改善し、高いML特性及び高いEL特性を生み出す上で、重要な因子として機能していると考えられる。このような特性は、Pr3+ドープBaTiO及びPr3+添加CaTiO
固溶体には認められないものである。
[Summary of this example]
In summary, the [(1-x) BaTiO 3 −xCaTiO 3 ]: Pr ceramic in the vicinity of the mixed phase region (0.25 ≦ x ≦ 0.30) exceeding the solubility limit has high electrostriction, stress luminescence, and All of the electroluminescence was realized. In the biphasic region (0.25 ≦ x ≦ 0.90), a large ion polarization of Ba 0.1 Ca 0.9 TiO 3 : Pr and a Ba 0.77 Ca 0.23 TiO 3 : Pr domain Is considered to function as an important factor in improving ES characteristics and producing high ML characteristics and high EL characteristics. Such characteristics are not observed in the solid solution of Pr 3+ doped BaTiO 3 and Pr 3+ added CaTiO 3 .

電歪特性(ES)、応力発光(ML)強度、及び、電場発光(EL)強度の組成依存性を調べることにより、以下の知見が得られた。Caの比率を増やして40%よりも大きくすることにより電歪が減少し、xが0.50の試料では約0.043%となった。このことから、Caの比率の高いものは、電歪の用途には不都合であるといえる。   The following knowledge was obtained by examining the composition dependence of electrostrictive properties (ES), stress luminescence (ML) intensity, and electroluminescence (EL) intensity. The electrostriction was decreased by increasing the Ca ratio to be greater than 40%, and about 0.043% in the sample with x = 0.50. From this, it can be said that a high Ca ratio is inconvenient for electrostrictive use.

また、xが増加して0.40以上となると、ML強度及びEL強度が大きくなり始め、0.60付近に最大を示す。このことは、2相性領域(0.25≦x≦0.90)において、ML強度及びEL強度の高い材料の用途には、Caの比率の高いものが有用であることを示している。ただし、xが30%付近では、高い電歪と応力発光示すと同時に、比較的に高い電場発光を示している。   Further, when x increases to 0.40 or more, the ML intensity and the EL intensity start to increase and show a maximum in the vicinity of 0.60. This indicates that in the biphasic region (0.25 ≦ x ≦ 0.90), a material having a high Ca ratio is useful for the use of a material having high ML strength and EL strength. However, when x is around 30%, high electrostriction and stress luminescence are exhibited, and at the same time, relatively high electroluminescence is exhibited.

強誘電性材料と非強誘電性材料との2つの結晶相は共存する混成物(2相の混相)であって、複数の機能を有する本実施例の試料は、広い範囲の多様な材料から、新しい多機能性材料や、高い単一機能(ES特性、ML強度又はEL強度、の高いものなど)を備えた材料の開発に大いに役立つものといえる。   The two crystalline phases of the ferroelectric material and the non-ferroelectric material are a coexisting hybrid (two-phase mixed phase), and the sample of this example having a plurality of functions can be obtained from a wide variety of materials. It can be said that it is very useful for the development of new multifunctional materials and materials having high single functions (such as those having high ES characteristics, ML strength or EL strength).

比較例Comparative example

上記本発明の実施例2に示した、0.25≦x≦0.90の範囲内で混相を形成する[(1−x)BaTiO3−xCaTiO]:Prと比較するために、BaSrTiO+Pr+Al系の試料を作製して、蛍光、応力発光、及び、電場発光について調べた。なお、試料は、所定の組成比に秤量したものをエタノールと混ぜて、ボールミルを用いて混合し、酸素雰囲気中、1400℃で4時間の焼成により調製した。 Shown in Example 2 of the present invention, to form a mixed phase in the range of 0.25 ≦ x ≦ 0.90 [(1 -x) BaTiO3-xCaTiO 3]: For comparison with Pr, BaSrTiO 3 + Pr + Al Samples of the system were prepared and examined for fluorescence, stress luminescence, and electroluminescence. A sample weighed to a predetermined composition ratio was mixed with ethanol, mixed using a ball mill, and prepared by baking at 1400 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere.

上記のようにして調製されたBaSrTiO+Pr+Al系の試料は、Srの比率を変化させたもの全てが、混相ではなく、単一の結晶構造であることを、走査電子顕微鏡による観察並びにXRD測定により確認した。このため、本比較例の試料を発光させるためには、Pr又はAlを添加することが必要があった。そこで、Alの添加量を1%、3%として調製したものについてXRD測定を行いった。この結果、Alを添加した試料では、添加していないものと比較してピークシフトが認められ、Alが比較例の試料の結晶構造に固溶していることが分かった。 In the BaSrTiO 3 + Pr + Al sample prepared as described above, it was confirmed by observation with a scanning electron microscope and XRD measurement that all of the samples in which the Sr ratio was changed were not mixed phases but a single crystal structure. confirmed. For this reason, it was necessary to add Pr or Al in order to cause the sample of this comparative example to emit light. Therefore, XRD measurement was performed on those prepared with Al addition amounts of 1% and 3%. As a result, in the sample to which Al was added, a peak shift was recognized as compared with the sample to which Al was not added, and it was found that Al was dissolved in the crystal structure of the sample of the comparative example.

また、Alが添加された試料は蛍光を発することが認められ、Sr比率が40%の試料の蛍光強度が最大となることを確認した。しかしながら、本比較例の試料は、応力発光及び電場発光を発現するものではなかった。   Further, it was confirmed that the sample to which Al was added emitted fluorescence, and the fluorescence intensity of the sample having a Sr ratio of 40% was maximized. However, the sample of this comparative example did not develop stress luminescence and electroluminescence.

本発明の発光材料は、応力により発光する新規な発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、及び応力発光体としての用途に適用できる。   The light emitting material of the present invention can be applied to uses as a novel light emitting material that emits light by stress, a piezoelectric body, an electrostrictive body, a ferroelectric body, an electric field light emitting body, and a stress light emitting body.

本発明の実施例の粉体X線回折パターンを示しており、各パターンの矢印で示されたピークが当該矢印の左に示された相の典型的なX線回折パターン(PDF結晶構造データーベースと合致するピーク)を表している。FIG. 4 shows powder X-ray diffraction patterns of Examples of the present invention, and the peak indicated by the arrow of each pattern is a typical X-ray diffraction pattern (PDF crystal structure database based on the phase indicated to the left of the arrow). Represents a peak that matches. ZnS.90MnTe.10の試料について得られたZnSの2H相のXRDパターンである。ZnS. 90MnTe. It is the XRD pattern of the 2H phase of ZnS obtained about 10 samples. ZnS.93ZnTe.03MnTe.04の試料について得られたZnSの2H及び10H相のXRDパターンである。ZnS. 93 ZnTe. 03MnTe. It is the XRD pattern of 2H and 10H phase of ZnS obtained about 04 sample. ZnO.5MnS.5の試料について得られたXRDパターンを示すグラフである。ZnO. 5MnS. It is a graph which shows the XRD pattern obtained about 5 samples. XRDパターンのピーク(Mn+2Oの〔200〕面)の強度に対するPL強度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of PL intensity with respect to the intensity | strength of the peak (Mn + 2O [200] plane) of a XRD pattern. Mn+2Oの〔200〕面XRDパターンのピーク位置2シータの値に対するPL強度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of PL intensity with respect to the value of the peak position 2 theta of the [200] plane XRD pattern of Mn + 2O. 表1に示した試料1〜5について光吸収スペクトルを記録したグラフである。5 is a graph in which light absorption spectra are recorded for samples 1 to 5 shown in Table 1. MnCO3及びZn0.6Mn0.4原料から得られたそれぞれのMn+2O相の吸収スペクトルを、ZnS及びZnOの吸収スペクトルと共に示したグラフである。The absorption spectrum of each of Mn +. 2O phase obtained from MnCO3 and Zn 0.6 Mn 0.4 material is a graph showing with the absorption spectrum of the ZnS and ZnO. 黄色ルミネッセンスの試料1の励起(excitation)及び発光(emission)のスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the spectrum of the excitation (excitation) and emission (emission) of the sample 1 of yellow luminescence. 赤色ルミネッセンスの試料2〜5の発光(emission)のスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the spectrum of the emission of the samples 2-5 of red luminescence. 赤色ルミネッセンスの試料2〜5の励起スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the excitation spectrum of samples 2-5 of red luminescence. 4%MnTeを含んだ試料(ZnS0.96MnTe0.04)の励起(excitation)及び発光(emission)を示すグラフである。Is a graph showing exciting (excitation) and emission (emission) of 4% sample containing MnTe (ZnS 0.96 MnTe 0.04). 黄色ルミネッセンスを発するZnO0.6MnS0.4及びZnO0.5MnS0.5に、1000Nの力を加えたときのML(応力発光)シグナルを示すグラフである。The ZnO 0.6 MnS 0.4 and ZnO 0.5 MnS 0.5 emits yellow luminescence, is a graph showing the ML (stress luminescent) signal when a force of 1000 N. 赤色ルミネッセンスを発するZnO0.6MnS0.35MnTe0.05及びZnO0.6MnS0.37MnTe0.03に、1000Nの力を加えたときのMLシグナルを示すグラフである。The ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05 and ZnO 0.6 MnS 0.37 MnTe 0.03 emit red luminescence is a graph showing the ML signal when a force of 1000 N. 2つの温度(850℃及び950℃)で調製したZnO0.6MnS0.35MnTe0.05について、低温フォトルミネッセンスを行った結果を示すグラフである。For ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05 prepared in two temperatures (850 ° C. and 950 ° C.), is a graph showing the results of low-temperature photoluminescence. 850℃で調製した、ZnO0.6MnS0.35MnTe0.05の試料について、異なる速度で温度を上昇させたときのグロー曲線を示すグラフである。Was prepared at 850 ° C., the sample of ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05, is a graph showing the glow curve when the temperature is increased at different rates. 950℃で調製した、ZnO0.6MnS0.35MnTe0.05の試料について、異なる速度で温度を上昇させたときのグロー曲線を示すグラフである。Was prepared at 950 ° C., the sample of ZnO 0.6 MnS 0.35 MnTe 0.05, is a graph showing the glow curve when the temperature is increased at different rates. 電場、機械的応力あるいは歪み、及び、光の相互関係を示す図である。It is a figure which shows the correlation of an electric field, mechanical stress or distortion, and light. [(1−x)BaTiO3−xCaTiO]のxの値を1.0〜0.2の範囲で変化させた試料のXRDパターンを示すグラフである。Is a graph showing the [(1-x) BaTiO3- xCaTiO 3] of x value sample XRD pattern was varied in the range of 1.0 to 0.2 in. BCT−30の構造解析を行って得られた、XRDスペクトルと顕微鏡写真図とを示す。The XRD spectrum and the micrograph which were obtained by conducting the structural analysis of BCT-30 are shown. BCT−20、23、25、30、40、50の電歪(ES)特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electrostriction (ES) characteristic of BCT-20, 23, 25, 30, 40, 50. BCT−20、23、25、30、40、50のヒステレス特性(Ferroelectric hysteresis loop)を示すグラフである。It is a graph which shows the hysteresis characteristic (Ferroelectric hysteresis loop) of BCT-20, 23, 25, 30, 40, 50. BCT−60のML(Mechanoluminescence)を示しており、(a)(b)は圧力が加えている間、肉眼で観察可能な赤色ML放出をしているBCT−60ペレットの図であり、(c)は、ML強度が加えられる圧力に比例することを示すグラフである。2 shows ML (Mechanoluminescence) of BCT-60, and (a) and (b) are diagrams of a BCT-60 pellet emitting red ML observable with the naked eye while pressure is applied, (c ) Is a graph showing that the ML intensity is proportional to the applied pressure. BCT−60の電場発光特性(EL)を示すグラフである。It is a graph which shows the electroluminescent characteristic (EL) of BCT-60. BCT−60のEL強度と電場の大きさとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the EL intensity | strength of BCT-60, and the magnitude | size of an electric field. BCT−60の電場発光特性(EL)を示すグラフである。It is a graph which shows the electroluminescent characteristic (EL) of BCT-60. BCT−30の、ML、EL、及び、PLのスペクトルを重ねて記載したグラフである。It is the graph which overlapped and described the spectrum of ML, EL, and PL of BCT-30. BCT−60の、ML、EL、及び、PLのスペクトルを重ねて記載したグラフである。It is the graph which overlapped and described the spectrum of ML, EL, and PL of BCT-60. BCT−60、70、80、90、95、100の励起スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the excitation spectrum of BCT-60,70,80,90,95,100. BCT−60、70、80、90、95、100の発光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum of BCT-60,70,80,90,95,100. BCT−20、25、30、40、50の測定結果を示すものであり、(a)は抗電場(Ec)を示すグラフであり、(b)は残留分極(Pr)を示すグラフである。The measurement result of BCT-20, 25, 30, 40, 50 is shown, (a) is a graph which shows a coercive electric field (Ec), (b) is a graph which shows remanent polarization (Pr). BCT−20、23、25、30、40、50及び[BaTiO]:Pr(BT−pure)について、電気誘起ひずみを測定した結果を示すグラフである。BCT-20,23,25,30,40,50 and [BaTiO 3]: for Pr (BT-pure), it is a graph showing the results of a strain electric induction was measured. BCT−30、50、60、70について、印加される電圧と電場発光強度との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the applied voltage and electroluminescence intensity about BCT-30, 50, 60, 70. Caの比率xを変化させた試料について、1Hz,50kV/cm条件下で、電歪特性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the electrostriction characteristic on 1 Hz and 50 kV / cm conditions about the sample which changed the ratio x of Ca. Caの比率xを変化させた試料について、蛍光特性(紫外線励起発光)を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the fluorescence characteristic (ultraviolet excitation light emission) about the sample which changed the ratio x of Ca. Caの比率xを変化させた試料について、電場発光を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured electroluminescence about the sample which changed the ratio x of Ca. Caの比率xを変化させた試料について、応力発光を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured stress luminescence about the sample which changed the ratio x of Ca.

Claims (39)

機械的な外力が加えられることにより発光する発光材料であって、
複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴とする発光材料。
A luminescent material that emits light when mechanical external force is applied,
A luminescent material comprising a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed.
上記混相は、ウルツ鉱型構造の酸化亜鉛と、立方晶又はウルツ鉱型構造の硫化亜鉛と、立方晶の酸化マンガンとの結晶構造の中から少なくとも2種類以上の結晶構造を有する複合結晶体であることを特徴とする請求項1に記載の発光材料。   The mixed phase is a composite crystal having at least two types of crystal structures among crystal structures of zinc oxide having a wurtzite structure, zinc sulfide having a cubic or wurtzite structure, and cubic manganese oxide. The luminescent material according to claim 1, wherein the luminescent material is provided. 上記混相を構成する金属イオンの一部が、他の金属イオンに置換されていることを特徴とする請求項2に記載の発光材料。   The luminescent material according to claim 2, wherein a part of metal ions constituting the mixed phase is substituted with other metal ions. 上記他の金属イオンがTeイオンであることを特徴とする請求項3に記載の発光材料。   The luminescent material according to claim 3, wherein the other metal ion is Te ion. 上記Teイオンは、上記混相を構成する金属イオン100モルに対し、0.01モル以上5モル以下の範囲内であることを特徴とする請求項4に記載の発光材料。   The luminescent material according to claim 4, wherein the Te ion is in a range of 0.01 mol to 5 mol with respect to 100 mol of the metal ions constituting the mixed phase. 上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上を含むものであることを特徴とする請求項1に記載の発光材料。   The mixed phase contains at least two kinds of tetragonal barium titanate, orthorhombic calcium titanate, rhombohedral magnesium titanate, and cubic strontium titanate. The luminescent material according to claim 1. 上記混相を構成する金属イオンの一部が、他の金属イオンに置換されていることを特徴とする請求項6に記載の発光材料。   The luminescent material according to claim 6, wherein a part of the metal ions constituting the mixed phase is substituted with other metal ions. 一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであることを特徴とする請求項1に記載の発光材料。 Formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A 'x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er The luminescent material according to claim 1, wherein the luminescent material is a rare earth element. 強誘電性正方晶のBa1−xCaTiO3:Pr固溶体(0<x<0.23)と、常誘電性の斜方晶のBaCa1−yTiO:Pr固溶体(0.9<y<1)とからなる混相であることを特徴とする請求項1に記載の発光材料。 Ferroelectric tetragonal Ba 1-x Ca x TiO3: Pr solid solution (0 <x <0.23) and, orthorhombic paraelectric Ba y Ca 1-y TiO 3 : Pr solid solution (0.9 The light emitting material according to claim 1, wherein the light emitting material is a mixed phase composed of <y <1). 発光強度が上記機械的な外力の大きさに比例するものであることを特徴とする請求項1に記載の発光材料。   The luminescent material according to claim 1, wherein the luminescence intensity is proportional to the magnitude of the mechanical external force. 上記A’はEr又はPrであり、Er又はPrの配合量とCaの配合量とが最適化されたものであることを特徴とする請求項8記載の発光材料。   The light emitting material according to claim 8, wherein A 'is Er or Pr, and the blending amount of Er or Pr and the blending amount of Ca are optimized. 上記Caの比率が40%以上80%以下の範囲内であることを特徴とする請求項8に記載の発光材料。   The light emitting material according to claim 8, wherein the Ca ratio is in the range of 40% to 80%. 上記Caの比率が1%以上35%以下の範囲内であることを特徴とする請求項8に記載の発光材料。   The light emitting material according to claim 8, wherein the Ca ratio is in the range of 1% to 35%. 上記A’がPrであることを特徴とする請求項8に記載の発光材料。   The light emitting material according to claim 8, wherein A 'is Pr. サイズの異なる複数の結晶相を有しており、当該複数の結晶相のうち、少なくとも1つ
の結晶相は大きい粒子サイズで、また、少なくとも1つの結晶相は大きい粒子サイズより
も小さい粒子サイズで構成されており、小さい粒子サイズの結晶相は大きい粒子サイズの結晶相の粒子間に均一に分散していることを特徴とする発光材料。
It has a plurality of crystal phases having different sizes, and among the plurality of crystal phases, at least one crystal phase has a large particle size, and at least one crystal phase has a particle size smaller than the large particle size. A light emitting material, wherein the crystal phase having a small particle size is uniformly dispersed among the particles having a crystal phase having a large particle size.
上記チタン酸バリウムの結晶相は大きい粒子サイズで、また、上記チタン酸カルシウムの結晶相は小さい粒子サイズで構成されており、小さい粒子サイズのチタン酸カルシウム結晶相はチタン酸バリウム大きい粒子サイズの結晶相の粒子間に均一に分散していることを特徴とする請求項15に記載の発光材料。   The barium titanate crystal phase has a large particle size, and the calcium titanate crystal phase has a small particle size. The small particle size calcium titanate crystal phase has a large particle size of barium titanate. The light emitting material according to claim 15, wherein the light emitting material is uniformly dispersed between the phase particles. 酸化マンガンの結晶相は大きい粒子サイズで、また、硫化亜鉛、酸化亜鉛の結晶相は小さい粒子サイズで構成されており、小さい粒子サイズの硫化亜鉛亜鉛、酸化亜鉛結晶相は酸化マンガン大きい粒子サイズの結晶相の粒子間に均一に分散していることを特徴とする請求項15に記載の発光材料。   The crystal phase of manganese oxide has a large particle size, and the crystal phase of zinc sulfide and zinc oxide has a small particle size. The zinc particle of zinc sulfide and zinc oxide crystal phase of small particle size have a large particle size of manganese oxide. The light-emitting material according to claim 15, wherein the light-emitting material is uniformly dispersed between the grains of the crystal phase. 複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴とする圧電体。   A piezoelectric body comprising a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. 上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上のもの含むものであることを特徴とする請求項18に記載の圧電体。   The mixed phase contains at least two kinds of tetragonal barium titanate, orthorhombic calcium titanate, rhombohedral magnesium titanate, and cubic strontium titanate. The piezoelectric body according to claim 18. 上記混相を構成する金属イオンの一部が、他の金属イオンに置換されていることを特徴とする請求項19に記載の圧電体。   20. The piezoelectric body according to claim 19, wherein a part of metal ions constituting the mixed phase is substituted with other metal ions. 一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであることを特徴とする請求項18に記載の圧電体。 Formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A 'x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er The piezoelectric body according to claim 18, wherein the piezoelectric body is made of a rare earth element. 上記の一般式において、1モル中にCaイオンが0.21−0.40の範囲内で含有さ
れた組成である混相構造を有することを特徴とする請求項21に記載の圧電体。
The piezoelectric body according to claim 21, wherein in the general formula, the piezoelectric body has a mixed phase structure having a composition in which Ca ions are contained within a range of 0.21 to 0.40 in 1 mol.
複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴とする電歪体。   An electrostrictive body comprising a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. BaTiOセラミックの電歪を100%とすると、電歪が170%以上であることを特徴とする請求項23に記載の電歪体。 The electrostrictive body according to claim 23, wherein the electrostriction is 170% or more when the electrostriction of the BaTiO 3 ceramic is 100%. 電歪特性が0.26%以上であることを特徴とする請求項23に記載の電歪体。   The electrostrictive body according to claim 23, wherein the electrostrictive characteristic is 0.26% or more. 上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上のもの含むものであることを特徴とする請求項23に記載の電歪体。   The mixed phase contains at least two kinds of tetragonal barium titanate, orthorhombic calcium titanate, rhombohedral magnesium titanate, and cubic strontium titanate. The electrostrictive body according to claim 23. 一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであることを特徴とする請求項23に記載の電歪体。 Formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A 'x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er 24. The electrostrictive body according to claim 23, wherein the electrostrictive body is made of a rare earth element. 上記の一般式において、1モル中にCaイオンが0.21−0.40の範囲内で含有さ
れた組成である混相構造を有することを特徴とする請求項27に記載の電歪体。
28. The electrostrictive body according to claim 27, wherein in the above general formula, the electrostrictive body has a mixed phase structure having a composition in which Ca ions are contained within a range of 0.21 to 0.40 in 1 mol.
一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.01≦y≦0.99,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであり、1モル中にCa
イオンが0.21−0.40の範囲内で含有された組成である混相構造を有することを特徴とする強誘電体。
Formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A 'x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.01 ≦ y ≦ 0.99, A ′ is selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er Rare earth element), and 1 mol of Ca
A ferroelectric having a mixed phase structure in which ions are contained in a range of 0.21 to 0.40.
複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいることを特徴とする電場発光体。   An electroluminescent material comprising a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed. 上記混相は、ウルツ鉱型構造の酸化亜鉛と、立方晶又はウルツ鉱型構造の硫化亜鉛と、立方晶の酸化マンガンとの結晶構造の中から少なくとも2種類以上の結晶構造を有する複合結晶体であることを特徴とする請求項30に記載の電場発光材料。   The mixed phase is a composite crystal having at least two types of crystal structures among crystal structures of zinc oxide having a wurtzite structure, zinc sulfide having a cubic or wurtzite structure, and cubic manganese oxide. 31. The electroluminescent material of claim 30, wherein the electroluminescent material is. 上記混相が、正方晶構造のチタン酸バリウム、斜方晶構造のチタン酸カルシウム、菱面体晶構造のチタン酸マグネシウム、及び立方晶構造のチタン酸ストロンチウムの中から、少なくとも2種類以上のもの含むものであることを特徴とする請求項30に記載の電場発光体。   The mixed phase contains at least two kinds of tetragonal barium titanate, orthorhombic calcium titanate, rhombohedral magnesium titanate, and cubic strontium titanate. The electroluminescent material according to claim 30, wherein 一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであることを特徴とする請求項30に記載の電場発光体。 Formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A 'x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er 31. The electroluminescent material according to claim 30, wherein the electroluminescent material is made of a rare earth element. 上記の一般式において、1モル中にCaイオンが0.5−0.80の範囲内で含有され
た組成である混相構造を有することを特徴とする請求項33に記載の電場発光体。
34. The electroluminescent material according to claim 33, wherein the general formula has a mixed phase structure having a composition in which Ca ions are contained within a range of 0.5 to 0.80 in 1 mol.
一般式(Ca1−xA’Ba1−yTiO3、(Mg1−xA’Ba1−yTiO3、及び(Sr1−xA’)yBa1−yTiO(0.0001≦x≦0.05,0.005≦y≦0.995,A’はDy,La,Gd,Ce,Sm,Y,Nd,Tb,Pr,Erからなる群より選ばれる希土類元素)からなるものであり、1モル中に
Caイオンが0.5−0.80の範囲内で含有された組成である混相構造を有することを特徴とする応力発光体。
Formula (Ca 1-x A 'x ) y Ba 1-y TiO 3, (Mg 1-x A' x) y Ba 1-y TiO 3, and (Sr 1-x A 'x ) yBa 1-y TiO 3 (0.0001 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.995, A ′ is selected from the group consisting of Dy, La, Gd, Ce, Sm, Y, Nd, Tb, Pr, Er A stress-stimulated luminescent material characterized by having a mixed phase structure having a composition in which Ca ions are contained within a range of 0.5 to 0.80 in 1 mol.
請求項1〜35の何れかに記載された発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、又は応力発光体の製造方法であって、複数の結晶構造の混在した混相となる比率の原料を混合するステップを含むことを特徴とする発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、又は応力発光体の製造方法。   A method for producing a light-emitting material, a piezoelectric body, an electrostrictive body, a ferroelectric body, an electric field light-emitting body, or a stress light-emitting body according to any one of claims 1 to 35, wherein a mixed phase in which a plurality of crystal structures are mixed and A method for producing a light emitting material, a piezoelectric material, an electrostrictive material, a ferroelectric material, an electroluminescent material, or a stressed light emitting device, comprising a step of mixing raw materials in a ratio of 製造時における、上記原料容器の真空度を10−1Pa以上とすることを特徴とする請求項36に記載の発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、又は応力発光体の製造方法。 37. The light emitting material, piezoelectric material, electrostrictive material, ferroelectric material, electroluminescent material, or stress luminescence according to claim 36, wherein the vacuum degree of the raw material container at the time of manufacture is 10-1 Pa or more. Body manufacturing method. 2つの亜鉛を添加した酸化マンガン結晶の合成中に、硫黄を添加することを特徴とする請求項36に記載の発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、又は応力発光体の製造方法。   37. The light emitting material, piezoelectric material, electrostrictive material, ferroelectric material, electroluminescent material, or stress luminescence according to claim 36, wherein sulfur is added during the synthesis of the manganese oxide crystal to which two zincs are added. Body manufacturing method. さらに、硫黄とテルルを同時に添加することを特徴とする請求項38に記載の発光材料、圧電体、電歪体、強誘電体、電場発光体、又は応力発光体の製造方法。   Furthermore, sulfur and tellurium are added simultaneously, The manufacturing method of the luminescent material of Claim 38, a piezoelectric material, an electrostrictive body, a ferroelectric material, an electroluminescent body, or a stress light-emitting body.
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