【概　要】 　
　体の表面温度を非接触で測る“赤外線体温計”は、コロナ禍を経て日常的にも使われるようになっていますが、測定対象の材質・色など表面の状態に影響を受けやすく、実は体の奥深くやエンジン内部のように、表面ではない部分の温度を測ることはできません。もし体の中や機械の内部まで正確に温度を測れる技術があれば、医療や産業の現場で大きな進歩が期待できます。
　野中講師の研究グループは、赤外線を吸収して可視光を放つ「アップコンバージョン型蛍光体」という特殊な材料を利用し、生体内でも使える新しい温度センサーの開発を目指しています。 　
　今回、Yb³⁺（イッテルビウム）とTb³⁺（テルビウム）という元素を、LaF₃（フッ化ランタン）とLaOF（酸化フッ化ランタン）の組み合わせに加えた新しい蛍光体を作製し、その発光の仕組みを詳しく調べました。その結果、赤外線を当てると青や緑の光が生じ、これは赤外線を2回分吸収して光に変える現象によることを確認しました。この成果は、より高感度で安全な温度センサーの実現につながり、将来的には医療現場や精密機器の温度管理など幅広い分野での応用が期待されます。

【研究の背景】 　
　近赤外線を可視光に変換するアップコンバージョン（UC）_[用語1]技術は、近年注目を集めています。UC型蛍光体はバイオイメージング、光触媒、温度センシングなどに応用されています。UC型蛍光体の発光効率を向上させるには、非放射損失_[用語2]を最小化する必要があるため、一般に低フォノンエネルギー_[用語3]のフッ化物がホスト材料_[用語4]として用いられます。
　本研究では、LaF₃–LaOF複合体をホスト材料として用いました。原料のLaF₃を熱処理することで、LaF₃の一部が酸化され、LaF₃–LaOF複合体が形成されます。当研究グループは、LaF₃からLaOFへの完全な転化よりも、LaF₃–LaOF複合体の形成がフォトルミネッセンス（PL）_[用語5]強度をより増強することを実証しています。また、本研究ではドーピング材料_[用語6]としてYb–Tbの組み合わせを用いました。Yb–Tbの蛍光は協同過程_[用語7]に起因し、低い発光効率を伴うことが欠点です。しかしながら、Tb³⁺は他の希土類(Er³⁺、Ho³⁺、Tm³⁺など)とは異なる分光特性を有するため、特定の波長での発光を実現する上で有用です。Tb³⁺の発光は4f軌道内の電子遷移に起因し、緑色発光が一般的です。 　
　本研究では、固相反応法_[用語8]によりLaF₃–LaOF:Yb³⁺/Tb³⁺を合成し、モル比の変化が試料の結晶構造および光学特性に及ぼす影響を分析しました。本研究の目的は、LaF₃–LaOF:Yb³⁺/Tb³⁺ の発光メカニズムの解明することです。LaF₃へYb³⁺およびTb³⁺をドーピングする研究は過去に報告されていますが、固相反応法によってYb³⁺およびTb³⁺をドーピングしたLaF₃–LaOF複合体の発光特性は、これまで報告されていません。さらに、Tb³⁺をドーピングした蛍光体は温度センサーとして機能することが先行研究で報告されているため、本研究においても温度センシングへの応用を目指しています。

【研究内容と成果】
　LaF₃–LaOF:Yb³⁺/Tb³⁺は固相反応法により合成され、モル比の変化が結晶構造と光学特性に及ぼす影響を分析しました。反射率の分析から、波長約950 nmにおけるYb³⁺（₂F^7/2→₂F^5/2）の吸収ピークが確認されました。X線回折装置、走査型電子顕微鏡、およびエネルギー分散型X線分析装置による解析から、合成された試料はLaOF:Yb³⁺/Tb³⁺およびLaF₃:Tb³⁺から構成されていました。PLスペクトルは波長486 nm（₅D⁴→₇F⁶）、541 nm（₅D⁴→₇F⁵）、583 nm（₅D⁴→₇F⁴）、620 nm（₅D⁴→₇F³）にピークを示し、特に541 nmのピークが顕著でした。PL 強度の励起パワー依存性の分析において、波長486 nm および 541 nm における傾きが約 2 になることから、発光メカニズムは 2 光子過程であることが明らかになりました。

【今後の展望】 　
　今回の研究では、特定のエネルギー状態（₅D⁴と呼ばれる場所）から生じる光を観測しました。しかし、温度センサーとして機能させるためには、もう一つの状態（₅D³）からの光も引き出すことが重要であることが分かっています。
　そのため、今後は電子がよりスムーズにエネルギーをやり取りできるようにフラックス剤を導入し発光効率の向上を図るなどの工夫を加える予定です。これが実現すれば、より高感度で信頼性の高い温度センサーの開発につながり、医療や産業など幅広い分野で役立つことが期待されます。