多層膜フォトニック粒子の創製及びフォトニック結晶としての機能実証

• Project/Area Number: 25790015
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Nanomaterials chemistry
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 今北 健二 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50598430)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2014: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2013: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
• Keywords: ナノ発光材料 / 多層膜シェル / 光の状態密度制御 / ナノ / フォトニック結晶 / 多層膜粒子 / 発光

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、光の波長の1/4程度の膜厚を有する多層膜フォトニック粒子の作製を目標としている。本年度は、(1)原子層堆積法(ALD法)による多層膜シェル形成技術の確立、(2)多層膜シェルによるアップコンバージョン蛍光体の発光効率改善、を目的として開発を行った。それぞれの進捗は以下の通りである。
(1)反応温度、反応時間、サイクル数をパラメータとして、シリカシェル、チタニアシェルの膜厚を系統的に調べた。反応温度が150度以上になるとチタニア膜は多結晶となり、膜厚の均一なシェルを形成するのが難しいことを明らかにした。また、シリカ膜は結晶化しにくい一方、反応速度がチタニアよりも遅いため、所望の膜厚を現実的な反応時間で得るためには、反応温度が400度以上である必要があることがわかった。
(2)アップコンバージョン材料は長波長の光を短波長の光に変換する発光材料であり、バイオイメージングや太陽電池等への応用が期待されている。しかし、量子効率が低いという課題がある。本年度は、アップコンバージョンナノ粒子の周りに多層膜シェルをコーティングすることにより光の状態密度を制御することにより、量子効率の改善を目指した。具体的には、アップコンバージョン材料として最も一般的な、ErとYbを共添加したNaYF4ナノ粒子を作製し、その周りに光の波長の1/4程度の膜厚を有するシリカシェル、チタニアシェルをALD法によって形成した。顕微分光法により、単一粒子の散乱スペクトルが、理論計算と一致することを確認した。また、顕微分光法によって、単一粒子の発光強度を評価したところ、シリカシェル、チタニアシェルを形成することにより、平均で4倍程度の発光増強を得られることを明らかにした。層数増加により、今後さらなる発光増強を期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of a Core-Shell-Shell Particle with a Quarter-Wave Thick Shells and Its Optical Properties (2014)
  • Author(s): Hiroki Shibata, Kenji Imakita, and Minoru Fujii
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 4 Issue: 61 Pages: 32293-32297
  • DOI: 10.1039/c4ra04924a
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical analysis on the feasibility of a multi-layered dielectric sphere as a three-dimensional photonic crystal (2013)
  • Author(s): Kenji Imakita, Hiroki Shibata, Minoru Fujii, Shinji Hayashi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 2 Issue: 9 Pages: 10651-10658
  • DOI: 10.1364/oe.21.010651
  • NAID: 120005465547
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 多層膜誘電体シェルによるナノ蛍光体の発光制御 (2016)
  • Author(s): 今北 健二
  • Organizer: 電気化学学会
  • Place of Presentation: 大阪大学吹田キャンパス（大阪府・吹田市）
  • Year and Date: 2016-03-29
  • Invited
• [Presentation] Atomic Layer Deposition法による誘電体多層膜粒子の作製及び光の状態密度制御 (2015)
  • Author(s): 尾嵜 友亮、今北 健二、藤井 稔
  • Organizer: 第２６回光物性研究会
  • Place of Presentation: 神戸大学百年記念館（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-11
• [Presentation] Atomic Layer Deposition法によるフォトニック多層膜粒子の作製及び発光特性評価 (2015)
  • Author(s): 尾嵜 友亮、今北 健二、藤井 稔
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 誘電体多層膜粒子による光の状態密度制御 (2013)
  • Author(s): 柴田 洋輝、今北 健二、藤井 稔
  • Organizer: 第24回光物性研究会(2013)
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] Control of Photonic Mode Density inside a Core of a Multi-Layered Dielectric Sphere (2013)
  • Author(s): Hiroki Shibata, Kenji Imakita, and Minoru Fujii
  • Organizer: 2013 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Place of Presentation: Boston, Massachusetts (USA)
• [Presentation] Control of photoluminescence properties of rare earth ions in the core of a multi-layered dielectric sphere (2013)
  • Author(s): Kenji Imakita, Hiroki Shibata, Minoru Fujii, and Shinji Hayashi
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • Place of Presentation: 同志社大学