ボトムアップ型光-分子強結合場における有機超薄膜の高効率光電変換

• Project Area: Strong Photons-Molecules Coupling Fields for Chemical Reactions
• Project/Area Number: 21020001
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 池田 勝佳 北海道大学, 大学院・理学研究院, 准教授 (50321899)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 魚崎 浩平 北海道大学, 大学院・理学研究院, 教授 (20133697)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥3,800,000 (Direct Cost: ¥3,800,000); Fiscal Year 2010: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2009: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
• Keywords: 光電変換 / 自己組織化単分子膜 / ギャップモードプラズモン

Research Abstract

本研究では、有機超薄膜における高効率な光電変換の実現を目指し、局在プラズモンを利用する光アンテナの実現を検討した。局在プラズモンの利用は表面増強ラマン散乱で既に大きな効果を上げているが、実励起を伴う分子系での利用には大きな問題があった。これは、金属ナノ構造を利用する局在プラズモン励起法では、励起状態の生成効率が向上する一方で、励起寿命の減少という相反効果も競合するためである。どちらの影響も金属表面と色素分子間の距離に依存することから、金属-有機分子界面の構造を原子レベルで制御する必要がある。そこで本研究では、分子層の上に金属ナノ粒子を配置し、電極基板とナノ粒子間に働く電磁気相互作用により生じるギャップモードプラズモンを利用する手法を提案し、実際に大きな光電流の増加を確認することに成功した。さらに、金属ナノ粒子のサイズを変えることで、金属間の相互作用の程度を自在に調節し、プラズモン共鳴波長を変化させ、光電流の増強する波長を制御することにも成功した。このように波長選択的に光電流をプラズモン増強することに成功したのは、世界で初めてであり、界面構造を制御することの重要性を示す基礎・応用の両面で重要な成果である。本成果は、世界的に評価の高い学術誌に掲載され、新聞でも紹介されるなど大きな注目を集めた。分子修飾電極にボトムアップ的に適用可能な構造の開発に成功したことで、様々な光機能性表面で利用可能な幅広い応用展開の可能性が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Crystal face dependent chemical effects in surface enhanced Raman scattering at atomically defined gold facets (2011)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda, Shuto Suzuki, Kohei Uosaki
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface-enhanced Raman scattering at well-defined single crystalline faces of platinum-group metals induced by gap-mode plasmon excitation (2011)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda, Jun Sato, Kohei Uosaki
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A : Chemistry
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmonic Enhancement of Photoinduced Uphill Electron Transfer in a Molecular Monolayer System (2011)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda, Kenji Takahashi, Takuya Masuda, Kohei Uosaki
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 50 Pages: 1280-1284
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 界面構造を規制したプラズモニック光化学 (2011)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Journal Title: 月刊 化学工業 Volume: 62(印刷中)
• [Journal Article] 原子・分子レベルで制御された金属-有機分子界面におけるプラズモニック光化学 (2011)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Journal Title: Molecular Science Volume: 5(印刷中)
  • NAID: 130000886449
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 飛翔する若手研究者"構造規制界面におけるプラズモニック光化学 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Journal Title: 化学と工業 Volume: 63 Pages: 488-488
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 金属単結晶表面での増強ラマン分光 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳, 魚崎浩平
  • Journal Title: 電気化学および工業物理化学 Volume: 41 Pages: 10-14
  • NAID: 10026355165
• [Journal Article] Substrate Dependent Structure of Adsorbed Aryl Isocyanides Studied by Sum Frequency Generation(SFG)Spectroscopy (2010)
  • Author(s): Mikio Ito
  • Journal Title: Phys.Chem.Chem.Phys 12 Pages: 3156-3163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gap-Mode SERS Studies of Azobenzene-Containing Self-Assembled Monolayers on Au(111) (2010)
  • Author(s): Ulrich Jung
  • Journal Title: Journal of Colloid and Interface Science 341 Pages: 366-375
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmonic Enhancement of Raman Scattering on Non-SERS-Active Platinum Substrates (2009)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C 113 Pages: 11816-11821
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent phonon dynamics in single-walled carbon nanotubes studied by time-frequency 2D-CARS spectroscopy (2009)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda
  • Journal Title: Nano Letters 9(4) Pages: 1378-1381
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 白金族原子層で被覆した単結晶金電極表面のギャップモード増強ラマン観察 (2011)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 電気化学会第78回大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大
  • Year and Date: 2011-03-29
• [Presentation] ギャップモードプラズモン共鳴を利用した光誘起電子移動の高効率化 (2011)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 日本化学会第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大
  • Year and Date: 2011-03-28
• [Presentation] 機能性分子連結型の有機超薄膜の構築とその光電変換特性 (2011)
  • Author(s): 佐藤志野
  • Organizer: 日本化学会第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大
  • Year and Date: 2011-03-27
• [Presentation] 機能性分子の逐次連結による光電変換有機超薄膜の構築 (2011)
  • Author(s): 佐藤志野
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2011年冬季研究発表会
  • Place of Presentation: 北海道大
  • Year and Date: 2011-02-02
• [Presentation] Gap-mode plasmon enhanced Raman scattering spectroscopy for in-situ observation of atomically smooth single crystalline metal electrode surfaces (2010)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda
  • Organizer: 2010 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Place of Presentation: ホノルル、アメリカ
  • Year and Date: 2010-12-16
• [Presentation] 構造規制表面におけるギャップモードプラズモン励起と高感度分光および高効率光電変換への応用 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 日本分光学会 高感度表面・界面部会 第3回シンポジウム
  • Place of Presentation: 産総研つくばセンターつくば市(招待講演)
  • Year and Date: 2010-12-03
• [Presentation] ギャップモードプラズモン励起による金および白金単結晶電極表面でのラマン分光 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第30回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: 大阪大吹田キャンパス
  • Year and Date: 2010-11-05
• [Presentation] Gap-mode plasmon enhanced Raman scattering at atomically smooth surfaces of gold and platinum single crystals (2010)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda
  • Organizer: Symposium on Advanced Spectroscopy : The Spectroscopical Society of Japan
  • Place of Presentation: 北海道大(招待講演)
  • Year and Date: 2010-10-08
• [Presentation] 光機能性有機超薄膜におけるプラズモニック光ナノアンテナの利用 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第4回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大豊中キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] プラズモニック光ナノアンテナを利用した単分子修飾電極における高効率光電変換 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 2010年光化学討論会
  • Place of Presentation: 千葉大西千葉キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-08
• [Presentation] SERS不活性な白金族金属単結晶電極におけるin-situ電気化学-増強ラマン観察 (2010)
  • Author(s): 佐藤潤
  • Organizer: 電気化学会北海道支部設立40周年記念シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大
  • Year and Date: 2010-07-03
• [Presentation] Gap-mode plasmon enhanced photo-energy conversion at well-defined metal-molecular interfaces (2010)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda
  • Organizer: International Conference on Electrified Interfaces (ICEI2010)
  • Place of Presentation: Geneva, NY USA(招待講演)
  • Year and Date: 2010-06-25
• [Presentation] 構造規制界面におけるプラズモニック光化学の展開 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 分子研研究会「プラズモン増強光電場の分子科学研究への展開」
  • Place of Presentation: 分子研研究所 岡崎市(招待講演)
  • Year and Date: 2010-06-18
• [Presentation] 構造規制界面におけるラマン散乱および光電変換のプラズモン増強 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 「光-分子強結合反応場の創成」領域および「半導体における動的相関電子系の光科学」領域合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本科学未来館 東京都江東区
  • Year and Date: 2010-05-27
• [Presentation] Plasmon-assisted photo-energy conversion in organic monolayer system (2010)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda
  • Organizer: 217^<th> Electrochemical Society Meeting (ECS)
  • Place of Presentation: Vancouver, Canada(招待講演)
  • Year and Date: 2010-04-27
• [Presentation] 構造規制された有機分子-金属界面におけるプラズモニックな光エネルギー利用 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第90回日本化学会春季年会
  • Place of Presentation: 近畿大学
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] SERS不活性な白金単結晶電極におけるギャップモード増強-電気化学ラマン観察 (2010)
  • Author(s): 佐藤潤
  • Organizer: 第90回日本化学会春季年会
  • Place of Presentation: 近畿大学
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] ボトムアップ型光-分子強結合場における有機超薄膜の高効率光電変換 (2010)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第6回公開シンポジウム「光-分子強結合反応場の創成」
  • Place of Presentation: 九大西新プラザ
  • Year and Date: 2010-01-29
• [Presentation] Crystal-face Dependent Gap-mode Enhanced Raman Spectra of Organic Monolayers on Au(hk1) (2009)
  • Author(s): 鈴木脩斗
  • Organizer: CRC International Symposium on "Innovation Driven by Catalysis-Past, Present and Future"
  • Place of Presentation: 北大
  • Year and Date: 2009-12-07
• [Presentation] SERS不活性な白金族金属単結晶上における有機単分子層のギャップモード増強ラマン観察 (2009)
  • Author(s): 佐藤潤
  • Organizer: 表面・界面スペクトロスコピー2009
  • Place of Presentation: 定山渓ミリオーネ
  • Year and Date: 2009-12-04
• [Presentation] 構造規制界面における光誘起電子移動のプラズモン増強 (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第28回固体・表面光化学討論会
  • Place of Presentation: 京大会館
  • Year and Date: 2009-11-21
• [Presentation] Crystal-face Dependent Gap-mode Enhanced Raman Spectra of Organic Monolayers on Au(hk1) (2009)
  • Author(s): 鈴木脩斗
  • Organizer: 2009 Korean-Japan Bilateral Symposium on Frontier Photoscience
  • Place of Presentation: Korea Univ.
  • Year and Date: 2009-10-31
• [Presentation] 有機単分子層の表面増強ラマンスペクトルにおける金属面方位依存性 (2009)
  • Author(s): 鈴木脩斗
  • Organizer: 第29回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀
  • Year and Date: 2009-10-27
• [Presentation] SERS不活性な白金・パラジウム上における有機単分子層のギャップモード増強ラマン観察 (2009)
  • Author(s): 佐藤潤
  • Organizer: 第29回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀
  • Year and Date: 2009-10-27
• [Presentation] 有機単分子層における光電変換効率のギャップモードプラズモン増強 (2009)
  • Author(s): 高橋健二
  • Organizer: 第29回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀
  • Year and Date: 2009-10-27
• [Presentation] ギャップモード増強ラマン分光法の金および白金単結晶電極表面への適用 (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第29回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀
  • Year and Date: 2009-10-27
• [Presentation] Plasmonic enhancement of photo-energy conversion in molecular based system (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 216^<th> ECS
  • Place of Presentation: Vienna, Austria
  • Year and Date: 2009-10-08
• [Presentation] ギャップモード法による有機分子-金属界面における光エネルギーの高効率利用 (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第3回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大
  • Year and Date: 2009-09-21
• [Presentation] 有機超薄膜における光電変換のギャップモードプラズモン増強 (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 2009年光化学討論会
  • Place of Presentation: 桐生市市民文化会館
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] Gap-mode enhanced Raman spectra of organic monolayers on single crystalline metal surfaces under electrochemical condition (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: International Symposium on Nanoelectrochemistry and Spectroelectrochemistry
  • Place of Presentation: Xiamen University, China
  • Year and Date: 2009-08-25
• [Presentation] 有機超薄膜におけるプラズモン増強光電変換 (2009)
  • Author(s): 高橋健二
  • Organizer: 日本化学会北海道支部2009年夏季研究発表会
  • Place of Presentation: 苫小牧高専
  • Year and Date: 2009-07-11
• [Presentation] Gap-mode plasmon resonances at single crystalline metal surfaces (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: SFB 677 colloquium
  • Place of Presentation: Kiel University, Germany
  • Year and Date: 2009-06-08
• [Presentation] Gap-mode enhanced Raman spectroscopy of organic monolayers on single crystalline metal surfaces (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 4th International Workshop on Vibrational Spectroscopy of Thin Films
  • Place of Presentation: Potsdam, Germany
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] ボトムアップ型光-分子強結合場における有機超薄膜の高効率光電変換 (2009)
  • Author(s): 池田勝佳
  • Organizer: 第5回公開シンポジウム「光-分子強結合反応場の創成」
  • Place of Presentation: 京都大
  • Year and Date: 2009-05-09
• [Book] Raman Spectroscopy for Nanomaterials characterization (2011)
  • Author(s): Katsuyoshi Ikeda, Kohei Uosaki
  • Publisher: Springer(印刷中)
• [Book] Moecular nano dynamics (2009)
  • Author(s): Hidenori Noguchi
  • Total Pages: 32
  • Publisher: Wiley-VCH
• [Book] Biochemical applications of nonlinear optical spectroscopy (2009)
  • Author(s): Norihiko Hayazawa
  • Total Pages: 32
  • Publisher: CRC press