ひずみで強く光るセラミックス材料 高感度センサーへの応用期待：原子配列のゆがみと酸素欠乏が作用

東北大学は、機械的な力が加わると発光する鉛フリーのセラミックス材料について、発光が著しく増強される仕組みを解明した。橋梁などインフラの劣化を可視光で診断できる高感度センサーや、自己発電型ウェアラブルデバイスなどへの応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高感度センサーや自己発電型ウェアラブルデバイスに応用

　東北大学は2025年9月、機械的な力が加わると発光する鉛フリーのセラミックス材料について、発光が著しく増強される仕組みを解明したと発表した。橋梁などインフラの劣化を可視光で診断できる高感度センサーや、自己発電型ウェアラブルデバイスなどへの応用が期待される。

　機械的なエネルギーを電気や光に直接変換できる材料は、次世代のセンサーや環境発電を支える技術として注目されている。中でもマルチピエゾ材料は、応力に応じて発光する「メカノルミネッセンス（ML）」および、電気を発生する「圧電性」という特性を同時に示すことから、その応用研究が進んでいる。

　研究グループは今回、プラセオジム添加ニオブ酸リチウムナトリウム（Li_1-xNa_xNbO₃：Pr）に着目。大型放射光施設（Spring8）などの強力なX線を活用した手法により、特定の組成で発光が著しく増える仕組みの解明に取り組んだ。

　実験では、Nb原子回りの局所的な原子配列や電子の状態を観察した。この結果、ML強度が最大となるLi_1-xNa_xの構成比（x＝0.88〜0.9）は、菱面体晶から単斜晶へと変化するモルフォトロピック相境界（MPB）の結晶構造と一致することが確認できた。このMPB領域では、原子配列の特殊な「ゆがみ」が生じ、意図的に導入される「酸素欠陥」との相乗効果によって、ML強度が急激に増大することを突き止めた。

Li_1-xNa_xNbO₃：Prの組成と発光強度の関係［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　今回の研究成果は、東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの二宮翔助教と西堀麻衣子教授、同大学大学院工学研究科の徐超男教授らによるものである。