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Improvement of photon upconversion utilizing characteristics of localized surface plasmon resonance

Research Project

Project/Area Number 20H02850
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research InstitutionNihon University

Principal Investigator

SUGAWA Kosuke  日本大学, 理工学部, 教授 (40580204)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 加藤 隆二  日本大学, 工学部, 教授 (60204509)
田原 弘宣  長崎大学, 工学研究科, 助教 (80631407)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2020: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
Keywords表面プラズモン共鳴 / アップコンバージョン / 三重項対消滅 / 近接場効果 / 遠隔場効果 / 局所熱 / アップコンバージョン発光 / アンチストークスシフト / 光/熱エネルギー変換 / パーセル効果 / スピン軌道相互作用 / 局在型表面プラズモン共鳴 / 金属ナノ粒子 / 項間交差 / スピン反転遷移 / 三重項-三重項対消滅 / 局所電磁場空間
Outline of Research at the Start

本研究は,金属ナノ粒子に特有な光共鳴現象を利用して,アップコンバージョン発光の極限的な増幅技術を確立するものである.
アップコンバージョン発光とは,低エネルギー光を高エネルギー光に変換する現象を指し,太陽光デバイスの高性能化,および生体組織の深部イメージングに利用されうる.現在,特に異種分子間のエネルギー移動を利用する三重項対消滅型アップコンバージョン発光に注目が集まっているが,その機能は未だ低い.
本研究では,金属ナノ粒子に特有な光共鳴現象が,分子の光励起特性,分子間エネルギー移動,分子内項間交差に及ぼす影響を炙り出し,これら知見を合目的的に利用し,アップコンバージョン発光の増幅を狙う.

Outline of Final Research Achievements

Plasmonic nanomaterials, which generate local heat through localized surface plasmon (LSP) resonance upon near-infrared light excitation, were combined with polymer host-based thin films for triplet-triplet annihilation-based upconversion (TTA-UC). This hybridization resulted in a significant improvement in the energy transfer efficiency between the triplet-excited sensitizer and emitter, leading to enhanced upconversion (UC) emission. Also, we achieved enhancement in UC emission by leveraging strong local magnetic fields using metal/insulator/metal structures composed of silver films, TTA-UC films, and silver nanocubes. This approach significantly improved the spin-flip optical transition of osmium complexes as a sensitizer. Moreover, we observed a remarkable enhancement of UC emission through the far-field effect by combining periodic plasmonic structures that exhibit strong light scattering (far-field effect) with TTA-UC thin films.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

アップコンバージョン発光は,低エネルギー光を高エネルギー光に変換する技術であり,特に本研究で着目している三重項対消滅型アップコンバージョンは,原理上,太陽光でも駆動可能な技術である.それゆえ,当該アップコンバージョン素子を高性能化する技術の開発は,広範な太陽光デバイスの高性能化に直結する.すなわち,環境調和社会の実現に必須となる太陽光有効利用技術に大きく貢献可能な技術であり,本申請で得た三重項対消滅型アップコンバージョンの高性能化アプローチは,特に環境調和社会の実現にとって重要なものとなる.

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (63 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Book (3 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] Modulation Technique of Localized Surface Plasmon Resonance of Palladium Nanospheres by Coating with Titanium Dioxide Shell for Application to Photothermal Therapy Agent2022

    • Author(s)
      Yutaro Hayakawa, Masato Furuya, Hironobu Tahara, Yasuhiro Kosuge, Tsuyoshi Kimura, Kosuke Sugawa, Joe Otsuki
    • Journal Title

      Nanoscale Research Letters

      Volume: 17 Issue: 1

    • DOI

      10.1186/s11671-022-03697-1

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    • Author(s)
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    • Journal Title

      Journal of Sol-Gel Science and Technology

      Volume: 104 Issue: 3 Pages: 666-672

    • DOI

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    • Journal Title

      Nanoscale

      Volume: 14 Issue: 26 Pages: 9278-9285

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      K. Sugawa*, S. Yoshinari, S. Watanabe, K. Ishida, S. Jin, N. Takeshima, T. Fukasawa, M. Fukushima, R. Katoh, K. Takase, H. Tahara, J. Otsuki
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 37 Issue: 39 Pages: 11508-11519

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c01770

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    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 22 Issue: 33 Pages: 18257-18260

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      松井 匠秀,神 翔太,須川 晃資,大月 穣
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      第71回コロイドおよび界面化学討論会
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      古谷 雅人,須川 晃資,大月 穣,木村 剛
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      松井 匠秀,神 翔太,須川 晃資,大月 穣
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      本田 渉平,横山 潤,須川 晃資,大月 穣
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      第10回CSJ化学フェスタ2020 ―日本化学会秋季事業―
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  • [Book] 金属ナノ粒子の合成・設計・制御と応用技術~種々の合成法、サイズ・形状の制御と評価、分散・配合技術、応用展開~2022

    • Author(s)
      須川晃資(分担執筆,その他著者:米澤 徹,有村 英俊,中村 貴宏,中川 政俊,安田 啓司,熊木 大介,横山 俊,時任 静士,宮川 雅矢,武田 真一,田中 秀樹,永田 達己,浜本 真央,大洞 康嗣,柳生 裕聖,棚橋 一郎,小川 智之,髙橋 幸奈,清長 友和,新森 英之,森 康貴,蟹江 澄志,金子 真大,塩見 昌平,井藤 彰,その他12名)
    • Total Pages
      500
    • Publisher
      サイエンス&テクノロジー社
    • ISBN
      9784864282482
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  • [Book] World Scientific Reference on Plasmonic Nanomaterials Principles, Design and Bio-applications2022

    • Author(s)
      Kosuke Sugawa(分担執筆)
    • Total Pages
      2328
    • Publisher
      World Scientific Pub Co Inc
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  • [Book] 金属ナノ粒子、微粒子の合成、調製と最新応用技術2021

    • Author(s)
      執筆者:佐藤正秀,小寺喬之,冨樫貴成,宮川雅矢,田中秀樹,荻原隆,辻剛志,真下茂,興津健二,佃諭志,保倉明子,中村圭太郎,岡田芳樹,家永隆史,武田真一,熊木大介,中村考志,和田仁,椎木弘,須川晃資,他37名,技術情報協会
    • Total Pages
      558
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861048623
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  • [Remarks] 超分子化学研究室 須川G

    • URL

      https://www.chem.cst.nihon-u.ac.jp/~sugawa/

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    • URL

      https://www.chem.cst.nihon-u.ac.jp/~sugawa/paper.html

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    • URL

      https://www.chem.cst.nihon-u.ac.jp/~sugawa/presentation.html

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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