2016 Fiscal Year Annual Research Report
Advanced Function Control of Photochemical Reactions Using Mesoscopic Structures
| Project Area | Application of Cooperative-Excitation into Innovative Molecular Systems with High-Order Photo-functions |
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| Project/Area Number |
26107003
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
井村 考平 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80342632)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | メソ構造 / 高次機能制御 / 近接場相互作用 / プラズモン / フォトクロミズム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光の波長と同程度のスケールであるメソ構造体は，光アンテナ効果や遅延効果により，ナノスケールの空間に光を閉じ込め光電場を増強する。増強光電場では，光と物質の間に強結合相互作用が誘起され，従来の光―物質相互作用を超える極めて特異な光学過程が誘起されると期待される。本研究では，金属および半導体メソ構造における光―分子相互作用の増強機構の究明と，これを用いた新規光応答制御スキームの構築を目標とする。メソ構造を利用し一分子一光子応答を超える新規光応答制御スキームを構築し光化学反応，また分子の高次機能制御を実現するために，本年度は（1）メソ物質の吸収と散乱の同時測定法の構築とそれによる励起モードの可視化，（2）メソ構造における非線形光学過程の究明，（3）プラズモンとエキシトンとの結合状態の究明に取り組んだ。
まず，最初の課題である吸収と散乱の同時評価法の構築では，同一試料に対して近接場透過測定と反射測定を同時に実現し，それぞれのスペクトルから，吸収スペクトルと散乱スペクトルをそれぞれ独立に決定できることを明らかにした。またこれらの測定により，透過と散乱のイメージにおけるコントラスト発現機構を解明した。次に，課題（2）では，メソ構造における非線形光学過程を精密に評価するために，真球状の金属および半導体粒子を調製しそれらの二光子発光過程と第二高調波過程をついて研究した。金属ナノ構造体を用いた研究では，その非線形発光断面積を単一粒子レベルで精密に決定することに成功した。また，局在光励起では発光断面積が増大することを明らかにした。一方，半導体粒子を用いた研究では，第二高調波発生に特異なサイズ依存性が存在することを明らかにした。課題（3）は，領域内の共同研究として研究を進めている。現在までにテスト計測を終了し，プラズモンとエキシトンとの結合状態を究明するために，必要な実験条件を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の成否を分けるのは，メソ構造において光励起される励起状態の空間構造を高精度に可視化し，理解する点にある。これまでに幾つかの可視化手法を発展させることに成功し，従来に比べてメソ構造の光励起状態の理解が格段に進んでいる。また，それによりメソ構造に特異的な光学過程の存在や増強効果を見出している。さらに，光化学反応への適用も開始し，その有効性を確認している。以上の研究成果は，概ね当初の計画どおりである。以上の理由から，本研究は概ね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでにメソ構造体に励起される動的空間モードの可視化に取り組み，その特性を詳しく理解するに至っている。今後は，その知見を活かし，光増強場を自在制御する研究およびその応用研究に取り組む。また，メソ構造における二光子発光などの非線形光学過程についてさらに深く追求し，またメソ構造体形状の最適化を図り，メソ構造による巨大非線形光応答を実現する。以上のとおり，これまでの知見を活用し，一分子応答と一光子応答を超える光化学反応過程の開拓や精密制御を達成するとともに，これらの研究を通じて，メソ構造を利用した光反応の高次機能制御の実現を目指す。
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