2017 Fiscal Year Annual Research Report
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16H02082
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
立間 徹 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90242247)
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2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズモン共鳴 / ナノ材料 / 光電変換 / 光触媒 / 光機能材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々が提唱したプラズモン誘起電荷分離（PICS）現象は、全世界で広く研究されているが、その結果、機構などについて多くの混乱が生じ、それがPICSの学術的な理解と実用的応用を難しくしている。本研究ではこの状況を打開するため、その機構を解明し、PICSに相応しい応用を明らかにする。
29年度は、銀ナノ粒子と酸化チタンを組み合わせた系のPICSにより引き起こされる銀の酸化反応が、正孔が銀イオンとして排出される反応であることを明らかにした。また、その反応を利用して、基板から垂直にナノ粒子を成長させる手法を開発した。PICSの機構に関しては、ナノ粒子から酸化チタンへの電子注入プロセスについても、異なる波長で２つの共鳴モードを示す金ナノロッドを利用して研究を行った。粒子間カップリングを利用した、電場強度がPICSの内部量子収率に与える影響についても研究を行っている。
PICSによる水から水素への還元反応に関しては、n型半導体／金ナノ粒子／p型半導体という構造の光アノードを用いることで、効率を改善できることを明らかにした。酸素の生成についても、ある程度測定することが可能となった。また、全固体PICSデバイスの開発も進め、局在型プラズモンだけでなく伝搬型プラズモンや光伝搬も関与するセルを開発した結果、全固体PICSデバイスとしては最も高いエネルギー変換効率を得ることができた。
さらに、化合物ナノ粒子のプラズモン共鳴を利用した近赤外PICSについても研究し、酸化モリブデンのナノ構造を利用することで、近赤外PICSが起きたと考えられる系について初めて報告した。
また、当該研究に関連して、半透明なペロブスカイト太陽電池を開発し、人間の視覚感度が低い赤色光領域での効率を、ナノ粒子のプラズモンアンテナ効果によって増強した。
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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
計画通り、反応機構に関する知見が深まりつつある。PICSの酸化過程に関しては、主に想定していたのとは異なる、正孔が局所的に反応するという機構も見出され、それをナノ加工に応用できることを示せた。その他の機構解明についても順調に進みつつある。PICSによる水の分解については、まだバイアス電圧の印加が必要な状況だが、n型半導体とp型半導体を組み合わせた光アノードにより効率を高める方法を示すことができた。化合物ナノ粒子を利用したPICSについても、その可能性が高いと考えられる現象を観測しており、さらなる研究へと展開しつつある。これらを総合的に考えて、十分順調に進行しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
機構面では、新たに見出した、PICSにおける正孔による局所反応について、銀の酸化による銀イオンの排出という過程以外にどのような反応が起こり得るか、調べる予定である。とくに、PICSの系としてより広く一般的に用いられ、安定性も高い金ナノ粒子と酸化チタンを組み合わせた系において、ナノ粒子自体の反応以外に、どのような反応が起こるのかを調べる必要がある。また、多電子反応が起こるのかについても明らかにする必要がある。そして、反応が観測された場合には、その応用についても考案し、検討することを予定している。
ナノ粒子から半導体への電子注入過程についても、さらなる知見が得られるように研究を進める。
PICSによる水の還元および酸化反応については、バイアス電圧を下げるための工夫を行う予定である。
全固体PICSデバイスについては、これまで、シリカ粒子アレイを内部に使用する、やや複雑な構造を持っていたので、これをより単純化し、作製しやすくする一方で、効率を維持、もしくは向上することを目指す。
化合物ナノ粒子によるPICSについては、これまでは分析が難しいナノ構造を利用したものであったため、より単純化された構造を持ち、分析も容易な、コロイド合成したナノ粒子を使う系について取り組むことを予定している。また、より波長の長い光を利用できるようにしていく予定である。
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