プラズモン誘起正孔放出の解明と応用展開

• Project/Area Number: 20H00325
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 立間 徹 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90242247)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,850,000 (Direct Cost: ¥34,500,000、Indirect Cost: ¥10,350,000); Fiscal Year 2023: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2020: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
• Keywords: ナノ材料 / 光物性 / 先端機能デバイス

Outline of Research at the Start

金属中の電子は動きやすい。その金属をナノメートルレベルまで小さくすると、光によって電子が動くようになる。つまり、光のエネルギーが電子のエネルギーに置き換えられる。そのエネルギーによって電子と正孔（マイナスの電気を持つ電子が抜けた、プラスの孔）を分けられることを、我々は見出した。その現象の機構をさらに詳しく調べ、応用の開拓も行う。本研究ではとくに、通常の光加工では行えないような、非常に微細な加工を光で行う新しい技術などに応用する。

Outline of Annual Research Achievements

我々は、局在表面プラズモン共鳴を示す材料を半導体と組み合わせたときにプラズモン誘起電荷分離（PICS）現象が起きることを見出し、光電変換や光触媒、その他さまざまな用途開発を行った。その中で、PICSは正孔放出現象を含む場合があることが明らかとなったので、その詳細と応用について研究を行っている。
熱正孔放出プロセスについては2021年度まで、銀の酸化溶出、酸化鉛(IV)の部位選択的析出、酸化鉛の酸化マンガン(IV)へのガルバニック置換などを行ってきた。2022年度には、半導体である酸化チタン上に担持したプラズモニック金属である金のナノ粒子上への鉄(II)イオンの酸化により、オキシ水酸化鉄を析出できることを見出した。また、それを適切な条件下でアニーリング処理することにより、磁性体であるヘマタイトに変換できることも見出した。金ナノ粒子にヘマタイトを析出させたナノ複合体は、プラズモン共鳴に基づく磁気円偏光二色性と磁性体に基づく磁気円偏光二色性を示し、またそれらの相互作用に基づく磁気円偏光二色性の増強効果も見られた。このように、磁気光学効果を示す材料としての応用が可能になり、熱正孔放出プロセスの応用展開の可能性が広がった。
また、熱正孔放出プロセスと比較し、また応用の幅を広げるために、熱電子放出プロセスについても検討を進めてきた。球状銀ナノ粒子や立方体上金ナノ粒子の上に、クエン酸存在下での熱電子放出プロセスによって、銀を部位選択的に析出させられることを確認した。回折限界を超えた光ナノ加工の観点からは、これによって加工手段の選択肢が大幅に増え、より幅広い加工が可能になった。
さらに、半導体における(熱)正孔放出プロセスや、(熱)電子放出プロセスとも比較するために、異方形状を持つ半導体ナノ粒子の合成を試み、酸化亜鉛の六角ナノプレートを合成した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

熱正孔放出による析出物質としては、酸化鉛や酸化マンガンだけでなく、酸化鉄にも拡張できるようになった。これによって磁性体の利用が可能になり、磁気光学効果を示すナノ材料などへ展開できるようになった。新規材料への展開は計画通りだが、磁気材料への展開は計画以上のものである。磁気材料とキラル材料の組み合わせによる磁気キラル二色性への展開の可能性も開けてきた。
また、熱正孔放出プロセスだけでなく、熱電子放出プロセスへも展開することができた。これについては、類似プロセスは観測されていたと考えられるが、我々の得意とする部位選択的反応によって、様々な応用展開の可能性が開けてきた。
これらのことから、当初の計画以上に進展していると結論した。

Strategy for Future Research Activity

熱正孔放出プロセスの研究については、磁性体への展開が可能になったことを踏まえ、より優れた磁気光学効果の観測などを目指していく。こうして、熱正孔放出プロセスの活用を試みていく。
また、熱正孔放出プロセスを足掛かりにして、熱電子放出プロセスについての研究にも力を入れる予定である。そのために、プラズモニック材料と組み合わせるための半導体として、これまではｎ型半導体を用いてきたが、これからはｐ型半導体も使用していく予定である。それにより、熱電子放出プロセスの活用を試みる。
さらに、金属ナノ粒子だけでなく半導体ナノ粒子も用いることにより、半導体の励起による(熱)正孔放出プロセスや、(熱)電子放出プロセス、それらによる部位選択的析出反応についても検討を行っていく。
それらの検討により、単にプラズモニック金属ナノ粒子からの熱正孔放出プロセスだけでなく、材料面でも反応面でも現象面でも、より広く展開できるようになると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Photofabrication of Chiral Plasmonic Nanospiroids (2023)
  • Author(s): K. Shimomura, Y. Nakane, T. Ishida, and T. Tatsuma
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 122 Issue: 15 Pages: 151109-151109
  • DOI: 10.1063/5.0146579
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Well-Dispersed Au Co-Catalyst Deposited on Rutile TiO2 Photocatalyst via Electron Traps (2023)
  • Author(s): T. Akiyama, H. Nagakawa, and T. Tatsuma
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 25 Issue: 13 Pages: 9031-9035
  • DOI: 10.1039/d2cp06064g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] One-Step Electrodeposition of Chiral Plasmonic Gold Nanostructures for Enantioselective Sensing (2022)
  • Author(s): I. Gu, T. Ishida, and T. Tatsuma
  • Journal Title: Electrochemistry Volume: 90 Issue: 7 Pages: 077006-077006
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.22-00046
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • Year and Date: 2022-07-09
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly Crystalline Wurtzite CdS Prepared by a Flux Method and Application to Photocatalysis (2022)
  • Author(s): H. Nagakawa and T. Tatsuma
  • Journal Title: ACS Appl. Energy Mater. Volume: 5 Issue: 12 Pages: 14652-14657
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c03083
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ２．論文標題 ５．発行年 Site-Selective Introduction of MnO2 Co-Catalyst onto Gold Nanocubes via Plasmon-Induced Charge Separation and Galvanic Replacement for Enhanced Photocatalysis (2022)
  • Author(s): K. Kim, H. Nishi, and T. Tatsuma
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 157 Issue: 11 Pages: 111101-111101
  • DOI: 10.1063/5.0102049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plasmon-Induced Photocatalysis Based on Pt?Au Coupling with Enhanced Oxidation Abilities (2022)
  • Author(s): Aoki Yukika、Ishida Takuya、Tatsuma Tetsu
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 5 Issue: 3 Pages: 4406-4412
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c00509
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near Infrared Electrochromic Smart Window with Plasmonic Compound Nanomaterials (2021)
  • Author(s): X. Fu, S. H. Lee, Y. Kuroiwa, and T. Tatsuma
  • Journal Title: Electrochemistry Volume: 89 Issue: 2 Pages: 141-144
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00157
  • NAID: 130007995091
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • Year and Date: 2021-03-05
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of Nano-localized and Delocalized Oxidation Sites for Plasmon-Induced Charge Separation (2021)
  • Author(s): Rui Ogata, Hiroyasu Nishi, Takuya Ishidaa, and Tetsu Tatsuma
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 13 Issue: 2 Pages: 681-684
  • DOI: 10.1039/d0nr08552a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser Printing of Translucent Plasmonic Multicolor Images Based on Gold Nanoparticles (2021)
  • Author(s): Q. Chen, Y. Kuroiwa, and T. Tatsuma
  • Journal Title: Electrochemistry Volume: 89 Pages: 230-233
  • NAID: 130008034656
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plasmon-Induced Charge Separation Based on a Nanocomposite Containing MoO2 under Visible Light Irradiation (2021)
  • Author(s): S. H. Lee, H. Nishi, and T. Tatsuma
  • Journal Title: J. Mater. Chem. C Volume: - Issue: 20 Pages: 6395-6398
  • DOI: 10.1039/d1tc00887k
  • Peer Reviewed
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離により作製した金－酸化鉄コアシェル構造の磁気光学効果 (2023)
  • Author(s): 孫 瑞卓、石田 拓也、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第103回年会
• [Presentation] 溶融塩処理による高結晶性ウルツ鉱型CdS光触媒の作製 (2023)
  • Author(s): 長川 遥輝、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第103回年会
• [Presentation] 電子トラップを活用したAu助触媒担持型ルチルTiO2光触媒 (2023)
  • Author(s): 秋山 倫輝、長川 遥輝、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第103回年会
• [Presentation] CoPt磁性ナノ粒子修飾電極によるエナンチオ選択的還元反応 (2023)
  • Author(s): 薮野 真弥、イ スンヒョク、石田 拓也、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離に基づく半透明光コンダクタ (2023)
  • Author(s): イ スンヒョク、大木 崚我、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
• [Presentation] 円偏光照射によるキラル Agナノ粒子の作製とそのキラル光学特性 (2023)
  • Author(s): 黒木 秀起、石田 拓也、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
• [Presentation] 硫化カドミウム光触媒の結晶面選択的な光電気化学反応 (2023)
  • Author(s): 長川 遥輝、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
• [Presentation] プラズモン誘起還元析出反応による Au-Ag複合ナノ粒子の形態制御 (2023)
  • Author(s): 左 袁、西 弘泰、黒岩 善徳、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
• [Presentation] 酸化鉛ナノ周期構造の光電気化学的成長機構 (2023)
  • Author(s): 西 弘泰、東條 遥、川井 朱理、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
• [Presentation] Photoelectrochemical Fabrication of Chiral Plasmonic Nanostructures by Circularly Polarized Light (2022)
  • Author(s): T. Tatsuma, T. Ishida, and H. Nishi
  • Organizer: 241st ECS Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Shaping Plasmonic Nanomaterials for Photocatalysis (2022)
  • Author(s): T. Tatsuma, T. Ishida, and H. Nishi
  • Organizer: 1st International Symposium on Emerging Nanoarchitectures and Plasmonics for Energy Conversion 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation and Plasmonic Shaping of Nanoparticles (2022)
  • Author(s): T. Tatsuma, T. Ishida, and H. Nishi
  • Organizer: 2nd AMU/CNRS-IIS/UTokyo mini-Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電子トラップを活用した金属ナノ粒子複合型光触媒の開発 (2022)
  • Author(s): 秋山 倫輝、長川 遥輝、立間 徹
  • Organizer: 2022年電気化学会秋季大会
• [Presentation] プラズモン共鳴銀ナノ構造の光電気化学的加工 (2022)
  • Author(s): 石田 拓也、黒木 秀起、亀岡 ゆり、井澤 哲舜、立間 徹
  • Organizer: 2022年電気化学会秋季大会
• [Presentation] 円偏光による Ag ナノ構造の作製とそのキラル光学特性 (2022)
  • Author(s): 石田 拓也、井澤 哲舜、黒木 秀起、立間 徹
  • Organizer: 2022年光化学討論会
• [Presentation] 円偏光照射によるキラル Ag ナノ構造の作製 (2022)
  • Author(s): 石田 拓也、井澤 哲舜、黒木 秀起、立間 徹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 円偏光照射によるキラル銀ナノ粒子のガラス基板上での作製 (2022)
  • Author(s): 黒木 秀起・石田 拓也・立間 徹
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] 異方性半導体ナノ粒子上への光誘起金属析出に よる複合ナノ材料の作製 (2022)
  • Author(s): 大場 友貴・Lee Seunghyuk・立間 徹
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] 近赤外域でキラル光学応答を示すAu複合体 (2022)
  • Author(s): 澤田 直樹・本間 徹・石田 拓也・立間 徹
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] プラズモン誘起還元反応によるAgナノ粒子の成長 (2022)
  • Author(s): 亀岡 ゆり・石田 拓也・立間 徹
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離とガルバニック置換による金属酸化物助触媒の部位選択的導入 (2022)
  • Author(s): 西 弘泰、キム カンソク、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] ２次元キラル光学応答を示す銀ナノプレートの円偏光による作製 (2022)
  • Author(s): 井澤 哲舜、石田 拓也、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 光で住みよい環境にする (2022)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 化学が拓く もしかする未来 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Light-Directed Electrochemical Reactions Based on Plasmon-Induced Charge Separation (2021)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: 30th International Conference on Photochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離とガルバニ置換による複合ナノ構造体の作製 (2021)
  • Author(s): Kim Kangseok、西 弘泰、立間 徹
  • Organizer: 2021年電気化学秋季大会
• [Presentation] CoPt-Auプラズモニック光触媒による磁場誘起立体選択的反応 (2021)
  • Author(s): 石田 拓也、青木 千佳、立間 徹
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] プラズモン誘起電荷分離効率に対する高次モードの影響 (2021)
  • Author(s): 西 弘泰、立間 徹
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] CoPt-Au ナノ粒子間カップリングを利用したエナンチオ選択的光触媒反応 (2021)
  • Author(s): 石田 拓也、青木 千佳、立間 徹
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Presentation] キラルナノ周期構造のプラズモン共鳴を用いた造形 (2021)
  • Author(s): 本間 徹 、石田 拓也 、立間 徹
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Presentation] プラズモニックナノ構造体におけるキラル光学特性の形態依存性 (2021)
  • Author(s): 中根 佑真 、石田 拓也 、立間 徹
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Presentation] 金属ナノキューブの高次モードプラズモン誘起 電荷分離における共鳴サイト (2021)
  • Author(s): 西 弘泰、立間 徹
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation and Applications (2021)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma
  • Organizer: Online workshop between MESA+ and IIS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 銀ナノキューブを用いたプラズモン誘起電荷分離の共鳴モード依存性 (2021)
  • Author(s): 西 弘泰、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 酸化インジウムナノキューブの形態に対するリガンドの影響 (2021)
  • Author(s): 松下 匠、スンヒョク イ、立間 徹
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] プラズモン共鳴を示す化合物ナノ粒子の反応と電荷分離 (2021)
  • Author(s): イ スンヒョク、西 弘泰、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第88回大会
• [Presentation] 金属ナノキューブの高次モードプラズモンによる電荷分離 (2021)
  • Author(s): 西 弘泰、立間 徹
  • Organizer: 電気化学会第88回大会
• [Presentation] Enhancement of Plasmon-Induced Charge Separation through Plasmon Coupling (2020)
  • Author(s): Tetsu Tatsuma, Hiroyasu Nishi, Takuya Ishida
  • Organizer: PRiME2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrochemically-Assisted Site-Selective Redox Reactions through Plasmonic Hole/Electron Ejection (2020)
  • Author(s): Hiroyasu Nishi, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: PRiME2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Au-Ptナノ粒子間カップリングによるプラズモン誘起電荷分離 (2020)
  • Author(s): 石田 拓也, 青木 千佳, 立間 徹
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Plasmon-Induced Charge Separation under Visible Light through Au-Pt Heterometallic Interparticle Coupling (2020)
  • Author(s): Yukika AOKI, Takuya ISHIDA, Tetsu TATSUMA
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] 金属ナノ粒子で光と色を操る (2020)
  • Author(s): 立間 徹
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
  • Invited
• [Presentation] 化合物プラズモンナノ粒子を用いた電気化学的赤外光透過率制御 (2020)
  • Author(s): 付 小歓、Lee Seunghyuk、立間 徹
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Funded Workshop] The 6th International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2022 (2022)