レアアース不要、酸化亜鉛で高感度な応力発光を実現―電源不要の近赤外発光で医療・インフラ応用に期待―

2026-05-25 東北大学

東北大学の徐超男教授らの研究グループは、酸化亜鉛(ZnO)の欠陥構造を制御することで、レアアースを用いずに高強度・高感度な応力発光を実現した。成果は『Advanced Science』誌に掲載された。応力発光は、力やひずみなどの機械的エネルギーを直接光へ変換する現象で、電源不要センサ材料として注目されている。従来はレアアース添加材料が主流だったが、高コストや供給リスク、強い力が必要という課題があった。本研究では、酸化亜鉛へ微量のナトリウムを添加し、欠陥構造を最適化することで、指先で触れる程度の微弱応力でも鮮明に発光する超高感度化に成功した。さらに、発光波長は750nm付近の近赤外域で、生体透過性が高い「生体の窓I」に対応する。この特性により、超音波と組み合わせた体内情報センシングや、橋梁・建築物のひずみを電源なしで監視するインフラ診断技術への応用が期待される。安価で資源制約の少ない酸化亜鉛材料による実現は、次世代自立型センサ開発に重要な進展となる。

レアアース不要、酸化亜鉛で高感度な応力発光を実現―電源不要の近赤外発光で医療・インフラ応用に期待―
図1. 開発した酸化亜鉛材料の発光スペクトルと生体組織の透過像 (左)開発した酸化亜鉛は750 nmを中心波長とする近赤外域で発光します。この波長領域は、生体内を比較的透過しやすいことから、生体の窓Iと呼ばれています。(右)開発した酸化亜鉛を荷重によって発光させることで、生体組織の違いをコントラストとして捉える透過イメージングが可能であることが分かります。

<関連情報>

地球上に豊富に存在する酸化物半導体におけるストレスから光への変換 Stress-to-Light Conversion in an Earth-Abundant Oxide Semiconductor

Tomoki Uchiyama, Koki Otonari, Reona Omori, Guangfa Yang, Eiji Nishibori, Ying Chen, Xu-Guang Zheng, Chao-Nan Xu
Advanced Science  Published: 08 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.75587

ABSTRACT

Stress-to-light conversion in solids represents a unique photonic functionality, yet it has never been realized in a chemically simple and sustainable material. Zinc oxide (ZnO) is an earth-abundant compound widely used in cosmetics, food supplements, paints, and medicinal products since prehistoric times. It is also a promising semiconductor for electronics and photonics owing to its high transparency, high electron mobility, and wide bandgap, more than three times that of silicon. Here, we show that the sustainable semiconductor ZnO exhibits strong near-infrared (NIR) luminescence under elastic stress when defect-engineered to stabilize a p-type state. This transformation overcomes the intrinsic n-type character of ZnO through the partial substitution of Zn2+ with Li+ or Na+, introducing deep-level defects that enable stress-driven NIR emission and ferroelectricity. These coupled electronic and structural effects reveal a previously unknown light-emitting function in a simple oxide lattice. Our findings establish a rare-earth-free, self-powered platform for NIR photonics, offering scalable opportunities for biophotonic signaling and infrastructure health monitoring.

0403電子応用
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