酸化ゲルマニウムビスマス
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酸化ゲルマニウムビスマス（さんかゲルマニウムビスマス、英語: Bismuth germanium oxide）またはゲルマニウム酸ビスマス（ゲルナミニウムさんビスマス、英語: Bismuth germanate）は、ビスマス、ゲルマニウム、酸素からなる無機化合物である。ほとんどの場合、化学式Bi
4Ge
3O
12（BGOと呼ばれる）で表され、立方晶形の結晶構造を持ち、シンチレータとして用いられる。（シレナイト構造をとり電気光学性を持つBi
12GeO
20や、Bi
2Ge
3O
9を指す場合もある。）
Bi4Ge3O12
Bi4Ge3O12は、立方晶形の結晶構造（a = 1.0513 nm, z = 4, ピアソン記号 cI76, 空間群 I43d No. 220）を持ち、密度は7.12 g/cm3である[1]。X線またはガンマ線の照射により、375 nmから650 nmの波長を持つ光子を放出し、480 nmにおいて最大で吸収した高エネルギーのメガ電子ボルトあたり約8500個の光子を放出する。高い耐放射性（5.104 Gyまで安定）を持ち、高いシンチレーション効率や、5 MeVから20 MeVの高いエネルギー分解能、高い機械的強度が特徴的であり、吸湿性は無い。融点は1050 ℃で、最も一般的な酸化物系シンチレータである[2]。
酸化ゲルマニウムビスマスは、素粒子物理学や航空宇宙物理学、核医学、地質探査、その他の産業における検出器として用いられる。またガンマパルス分光法に用いられ、BGOの結晶はポジトロン断層法の検出器として用いられる。
市販の結晶はチョクラルスキー法で得られ、通常は直方体または円柱の形で供給される。大きな結晶も得ることができ、製造はたいてい1100 ℃、つまり融点よりも50 ℃高い温度で行われる[3]。
Bi12GeO20
Bi12GeO20は立方晶形の結晶構造（a = 1.01454 nm, z = 2, ピアソン記号 cI66, 空間群 I23 No. 197）を持ち、密度は9.22 g/cm3である[4]。この酸化ゲルマニウムビスマスは、高い電気工学係数（3.3 pm/V for Bi12GeO20）を持ち[5]、非線形光学においてポッケルスセルを作るのに有用であり、紫外線域のフォトリフラクティブ素材としても使われる。
Bi12GeO20の結晶は圧電性を持ち、強い電気光学効果と音響光学効果を持つ。また水晶発振器や表面弾性波装置など限られた分野で応用される[6]。単結晶の棒および繊維は、ゾーンメルト法によって酸化ビスマス(III)と酸化ゲルマニウムの混合物から得られる[7]。結晶は透明で茶色を呈する[8]。
BGOの結晶と、類似した混合物であるBSO（酸化ケイ素ビスマスBi12SiO20）やBTO（Bi12TiO20）は、いずれもフォトリフラクティブであり、光伝導体であり、BGOとBSOの結晶は、低い暗伝導性を持つ効率的な光伝導体として用いられる。電気光学的にも応用され、光学的なPROM、PRIZ空間光変調器、リアルタイムホログラム記録、相関器、超短波レーザーパルスの適応補正システムなどに使われるほか、電界・磁界用の光ファイバーセンサーとしても用いられる。導波管構造は広域なスペクトルの均一な照射を可能にする。スパッタリングなどで形成可能な薄膜のシレン石構造は、幅広い応用が期待されている。BSOの結晶は空間光変調器や液晶ライトバルブに用いられる[9]。BTOの光学的活性は、BGOとBSOのものよりもはるかに小さい[10]。やや性能が類似するペロブスカイトとは異なり、強誘電体ではない。
光フェーズドアレイにおいても有用である。
スパッタリング時には、ビスマスの蒸気圧により組成が化学量論に則らなくなるため、450 ℃未満に保つ必要がある。ただし、圧電性γ相を形成するためには、400℃以上である必要がある[11]。
脚注
- ^ Fischer, P.; Waldner, F. (1982). “Comparison of neutron diffraction and EPR results on the cubic crystal structures of piezoelectric Bi4Y3O12 (Y = Ge, Si)”. Solid State Communications 44 (5): 657–661. Bibcode: 1982SSCom..44..657F. doi:10.1016/0038-1098(82)90575-0.
- ^ Bismuth Germanate Scintillation Material Archived 2019-12-21 at the Wayback Machine.. crystals.saint-gobain.com
- ^ Process for the production of bismuth germanate monocrystals with a high scintillation response. Le Gal et al US Patent 4664744
- ^ Svensson, C.; Abrahams, S. C.; Bernstein, J. L. (1979). “Laevorotatory Bi12GeO20: Remeasurement of the structure”. Acta Crystallographica Section B: Structural Crystallography and Crystal Chemistry 35 (11): 2687–2690. Bibcode: 1979AcCrB..35.2687S. doi:10.1107/S0567740879010190.
- ^ Haynes, William M., ed (2016). CRC Handbook of Chemistry and Physics (97th ed.). CRC Press. p. 12.173. ISBN 9781498754293
- ^ Lam, C.S. (2004) Integration of SAW and BAW Technologies for Oscillator Applications. International Workshop on SiP/Soc Integration of MEMS and Passive Components with RF ICs
- ^ Fu, S.; Ozoe, H. (1999). “Growth of Bi12GeO20 crystal rods and fibers by the improved floating zone method”. Journal of Materials Science 34 (2): 283–290. doi:10.1023/A:1004430311364. ISSN 0022-2461.
- ^ “Technology Crystal Growth Laboratory (CGL): single crystals, nanotechnology”. www.uam.es. 2016年4月9日閲覧。[リンク切れ]
- ^ “Sillenite Photorefractive Crystals (BGO and BSO) – Alkor Technologies”. www.alkor.net. 2016年4月9日閲覧。
- ^ Träger, Frank (2012) (英語). Springer Handbook of Lasers and Optics. Springer Science & Business Media. p. 359. ISBN 9783642194092
- ^ Wasa, Kiyotaka; Kitabatake, Makoto; Adachi, Hideaki (2004). Thin Film Materials Technology: Sputtering of Compound Materials. William Andrew. p. 248. ISBN 9780815519317
関連項目
- シンチレーションボロメータ
- ゲルマニウム酸塩
外部リンク
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