2019 Fiscal Year Annual Research Report
New Development in Visible Plasmonics: Theory Construction of 2nd-Generation Materials
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18H01953
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 良太 京都大学, 化学研究所, 助教 (80629890)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
飯田 健二 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 助教 (20726567)
川脇 徳久 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 助教 (60793792)
治田 充貴 京都大学, 化学研究所, 助教 (00711574)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 可視プラズモニクス / 局在表面プラズモン共鳴（LSPR） / 無機ナノ粒子 / 規則合金 / 金属間化合物 / 貨幣金属フリー / 錬金術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
第11族元素に分類される金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）は貨幣金属と呼称され、本質的に（球状でキャリア密度制御せずに）可視域に局在表面プラズモン共鳴（LSPR）吸収を示す唯一の材料群とされてきた。無尽蔵とみなされる太陽光エネルギーの52%は可視域に分布しており、有機分子や金属錯体、無機半導体にとって可視域の光は分子内電子遷移や配位子から中心金属への電荷移動（LMCT）、バンド間遷移などを誘起する極めて重要な波長領域である。一方で、太陽光によってこれらの遷移過程を高効率化し得るプラズモン材料は、ここ160年来、実用的には第11族元素からなる単一金属や固溶合金のみであり、第11族元素以外の元素からなる規則合金の報告は皆無に等しい。
このような背景の下、我々は可視域にLSPR吸収を示す新たな金属材料としてインジウム（In）とパラジウム（Pd）の塩化セシウム型合金（B2-PdIn）を発見した。本研究では、B2-PdInを手掛かりに、新奇プラズモン材料群の設計指針を立案・検証し、その学理構築による第2世代材料の台頭を目的としている。昨年度に引き続き、本年度も可視LSPR発現のための電子／結晶構造的要請の定量化に積極的に取り組んだ。本年度は昨年度までの議論をさらに深化させることで、（i）規則合金を形成する元素の組み合わせや組成が電子構造の大枠を決定付けるのに対し、（ii）元素間の結合様式や結晶構造における各元素の規則配列様式が電子構造の細部に影響を与えることを理論的に明らかにした。一方、新奇合金材料の可視プラズモニック材料としての特性評価として、B2-PdInナノ粒子溶液で観測されたLSPR吸収ピークからモル吸光係数を求めたところ、Agよりも一桁程度小さく、Auとは同程度のオーダーであることが判明し、LSPR吸収波長とモル吸光係数との間に、金属材料として比較的妥当な傾向が示された。
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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
研究計画に従い、（1）可視LSPR発現のための電子／結晶構造的要請の定量化および（2）可視プラズモニック材料としての特性評価を実施したところ、「研究実績の概要」に記載した結果を得た。
（1）では、規則合金の結晶構造（とりわけ構成元素の規則配列）が電子構造の微細構造や束縛電子の励起ダイナミクスの制御因子になり得ることを定量的に明らかにしつつある。
（2）では、B2-PdInナノ粒子のモル吸光係数を導出し妥当性を確認するとともに、分析電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光（EELS）マッピングによってB2-PdInナノ粒子の単一粒子やダイマーにおけるLSPRの可視化にも成功したことから、昨年度同様、新奇合金群を研究対象とする有意性をさらに強調することに成功した。
このように、研究フェーズは大筋が研究計画に従って進行していることから、現在までの進捗状況として、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は、本年度までに得られた知見をさらに細分化しつつ定量的に深化させるとともに、得られた知見に基づいて設計指針を確立し、有望な可視プラズモニック合金材料の選定を行う。選定されたB2合金およびその他の規則合金のナノ粒子やナノ構造体を、化学的、物理的問わず様々な手法を駆使することによって合成し、そのプラズモン特性をEELSを筆頭に種々の方法で評価する。
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