光で湿度を測る新材料を開発 ― 蛍光の明るさと寿命、二刀流センサーが環境管理を変える ―

2026-03-10 東北大学

東北大学、多元物質科学研究所などの研究グループは、光を用いて湿度を測定できる新しい蛍光材料Yb₂(MoO₄)₃:Er³⁺を開発した。この材料は近赤外レーザー照射により可視光を発するアップコンバージョン蛍光体で、結晶格子内の空洞に水分子が吸着・脱着することで、湿度に応じて蛍光強度と蛍光寿命が変化することを世界で初めて実証した。湿度が上昇すると緑色蛍光の強度が約30%まで低下し、蛍光寿命も約50マイクロ秒から40マイクロ秒へ短縮する。この2つの光学特性を同時に利用するデュアルモード検出により、外部環境の影響を受けにくい高精度な湿度測定が可能となる。光学式のため電磁ノイズの影響を受けず、食品や医薬品の保管、半導体製造など高精度な湿度管理が必要な分野での応用が期待される。成果はACS Applied Materials & Interfacesに掲載された。

光で湿度を測る新材料を開発 ― 蛍光の明るさと寿命、二刀流センサーが環境管理を変える ―
図1. Yb2(MoO4)3の結晶構造モデル。YbO6八面体とMoO4四面体が三次元的に連結した骨格と、水分子を収容できる格子空洞を示す。結晶構造はVESTAプログラムにより描画した。

<関連情報>

Yb2(MoO4)3:Er3+アップコンバージョン蛍光体の強度と寿命変調に基づくデュアルモード湿度センシング Dual-Mode Humidity Sensing Based on Intensity and Lifetime Modulation of Yb2(MoO4)3:Er3+ Upconversion Phosphor

Reiko Furukawa,Takuya Hasegawa,Tomoyo Goto,Yasushi Sato,Ayahisa Okawa,Shu Yin
ACS Applied Materials & Interfaces  Published: March 3, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsami.5c23088

Abstract

Optical sensors have recently attracted considerable attention because of their remarkable advantages, including fast response, high spatial resolution, noncontact measurement capability, and excellent sensitivity. Harnessing intrinsic lattice features for functional sensing offers a promising pathway toward material design. Herein, we strategically exploit the structural characteristics of orthorhombic Yb2(MoO4)3 (space group Pbcn)─comprising a three-dimensional framework of corner-sharing YbO6 octahedra and MoO4 tetrahedra with accessible lattice voids─to achieve dual-mode optical humidity sensing. Er3+-doped Yb2(MoO4)3 phosphors were synthesized via a hydrothermally assisted method and exhibited both upconversion (UC) and downshifting (DS) luminescence under a 980 nm excitation. The presence of nanoscale lattice cavities capable of accommodating H2O molecules enabled humidity-dependent modulation of the optical response through nonradiative coupling between the high-energy O–H vibrations and excited states of Yb3+/Er3+. Upon switching from dry air to 90% relative humidity (RH), the UC green emission intensity decreased to approximately 30% of its initial value, and the luminescence lifetime shortened from 50 to 40 μs, both recovering reversibly upon dehydration. These variations followed the Langmuir–Hinshelwood-type adsorption kinetics, confirming that surface-adsorbed water molecules govern the luminescence modulation. The combination of reversible lattice hydration and a robust host framework endow Yb2(MoO4)3:Er3+ with high sensitivity, repeatability (>95%), and dual-mode functionality (intensity and lifetime) at room temperature. This study demonstrates a structure-guided design strategy for converting the inherent hygroscopicity of molybdate frameworks into a robust optical sensing mechanism, paving the way for multifunctional luminescent materials for environmental monitoring.

0501セラミックス及び無機化学製品
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