ドーパント
ドーパント（ドーピング剤とも呼ばれる）とは、材料の電気的特性や光学的特性などの物理的特性を変化させるために材料に添加される微量の物質のことである。ドーパントの量は、通常、ドーピングされる材料の量に比べて非常に少ない。
結晶性物質にドープされると、ドーパントの原子は物質の結晶格子に組み込まれます。結晶性物質は、固体電子機器に用いられるシリコンやゲルマニウムなどの半導体結晶、あるいは様々なレーザーの製造に用いられる透明結晶であることが多いですが、後者の場合、ガラスなどの非結晶性物質にも不純物がドープされることがあります。
固体エレクトロニクスでは、半導体に適切な種類と量のドーパントを使用することで、トランジスタやダイオードの製造に不可欠なp 型半導体とn 型半導体が生成されます。
透明な結晶
レーザー媒体
クロム（Cr）、ネオジム（Nd）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）などの金属を透明な結晶、セラミック、またはガラスに微量ドーピングする手法は、固体レーザーの活性媒体の製造に用いられます。ドーパント原子の電子において反転分布が形成され、この反転分布はあらゆるレーザーの動作における光子の誘導放出に不可欠です。
天然ルビーの場合、微量のクロムドーパントが酸化アルミニウム（コランダム）の結晶中に自然に分布しています。このクロムはルビーに赤い色を与えるだけでなく、ルビーが反転分布を起こしてレーザーとして作用することを可能にします。透明な酸化アルミニウム結晶中のアルミニウム原子と酸素原子は、クロム原子を良好な空間分布に保つ役割を果たしているだけで、それ以外はレーザー作用とは無関係です。
ネオジム YAG レーザーなどの他のケースでは、結晶は人工的に作られ、自然界には存在しません。人工のイットリウムアルミニウムガーネット結晶には数百万個のイットリウム原子が含まれており、その物理的サイズ、化学価数などにより、結晶の格子内の少数のイットリウム原子をネオジムなどの希土類元素の原子に置き換えるのに適しています。そして、これらのドーパント原子が実際に結晶内でレーザー発振プロセスを実行します。結晶内の残りの原子はイットリウム、アルミニウム、酸素原子で構成されていますが、上記と同様に、これら他の 3 つの元素は単にネオジム原子をサポートする機能を果たします。さらに、希土類元素のエルビウムをネオジムの代わりにドーパントとして使用することで、出力の波長を変えることができます。
多くの光学的に透明なホストでは、このような活性中心は、ミリ秒オーダーの時間励起を維持し、誘導放出を伴って緩和し、レーザー動作を提供します。 ドーパントの量は、通常、原子パーセントで測定されます。通常、計算では、ドーパントイオンが結晶格子内の一部のサイトでのみ置換できることを考慮して、相対的な原子パーセントが想定されます。 ドーピングは、光ファイバー、特に二重クラッドファイバーの屈折率を変更するためにも使用できます。光ドーパントは、励起寿命と有効吸収断面積および有効放出断面積で特徴付けられ、これらは活性ドーパントの主なパラメータです。 通常、光ドーパントの濃度は、数パーセントオーダーかそれ以下です。励起の密度が高いと、協同消光（相互緩和）によりレーザー動作の効率が低下します。
例
医療分野では、レーザー手術に使用されるレーザーメスにエルビウム添加レーザー結晶が使用されています。ユーロピウム、ネオジム、その他の希土類元素は、レーザー用ガラスのドーピングに使用されています。ホルミウム添加およびネオジム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）は、一部のレーザーメスの活性レーザー媒質として使用されています。[ 1 ]
蛍光体とシンチレーター
リン光体やシンチレータの分野では、ドーパントは活性剤として知られており、発光プロセスを強化するために使用されます。[ 2 ]
半導体
半導体にドーパントを添加する（ドーピング）と、材料内のフェルミ準位がシフトする効果があります。その結果、ドーパントの種類に応じて、主に負（ n型）または正（p型）の電荷キャリアを持つ材料が生成されます。ドーパントの存在によって変化した純粋な半導体は、外因性半導体と呼ばれます（真性半導体を参照）。ドーパントは、固体源、ガス、スピンオン液体、イオン注入など、様々な方法で半導体に導入されます。イオン注入、表面拡散、固体源の脚注を参照してください。
その他
一部の宝石の色は、添加元素によって決まります。例えば、ルビーとサファイアはどちらも酸化アルミニウムで、前者はクロム原子によって赤色を呈し、後者は複数の元素が添加されることで多様な色を呈します。
参照
参考文献
