2018 Fiscal Year Annual Research Report
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18J20921
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
及川 隼平 北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | Surface Plasmon / Strong Coupling / Au Nano-Particle |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では緻密に構造設計されたプラズモン活性が高い金属ナノ粒子の二次元配列構造を用いて光を高効率に捕集し、低損失で光エネルギーを伝搬・集約させる系を構築することを試みる。さらには、電気化学手法等を駆使することで、光の散乱問題を解決し、集約光エネルギーを利用した新奇光学物性の発現を目指す。
2018年度は高効率光エネルギー集約システム構築の基盤となる、六方格子型Auフォトニック結晶の構築を試みた。フォトニック結晶の光学性能は格子間隔、粒子形状、表面状態に強く依存することが知られている。電子線描画法を用いて粒子形状の制御を行い、さらには電気化学的手法を用いて表面状態を最適化することによって、単粒子プラズモンに誘起されるLSPと比較して数十倍高いエネルギー効率を有する二次元材料の構築を達成した。この構造では単一粒子と比較して系内に光を長時間閉じ込めることが可能となり、色素励起子などの光アクティブな物質との強い相互作用が期待される。実際に最適化したフォトニック結晶に、エネルギーの近接した色素分子を担持したところ、強固な電磁場相互作用によってプラズモンと色素励起子間に新たな光学準位の形成が確認された。この光物質相は強結合と呼ばれており、光吸収波長の広帯域化や光励起寿命の長寿命化といった光学特性を示すことから、光エネルギーの高効率利用に向けて応用が大いに期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
プラズモンによる散乱光を抑制し、ナノ空間へ高度に光を閉じ込める構造の作製に向けて、電子線描画法と電気化学手法による緻密な構造設計を通じて、単粒子と比して数十倍のエネルギー閉じ込め効率を有する六方格子型金ナノディスク基板の作製に成功し、本年度の研究課題である高効率光捕集系の構築を達成した。さらに、当該研究員は系内に閉じ込めた光エネルギーを効率よく遠方へと伝搬させる系の構築に向けて、シアニン色素など種々の励起子エネルギーを発現する分子を数多く検討した。その結果、金ナノ構造と色素励起子との間に強結合と呼ばれる新たな光学状態を形成させることに成功した。この新規光物質相の形成は、本年度計画の見込みを上回る期待以上の成果である。この強結合状態は、光吸収波長の広帯域化や光励起寿命の長寿命化といった光学特性を示すことから、光エネルギーの高効率利用に向けて応用が大いに期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度では、従来のプラズモニックデバイスと比較して高効率に光エネルギーを捕集システムの構築を達成し、さらには、このシステムを用いて新規光学物性の発現に成功したと言える。したがって本年度の研究課題は十分に達成できたと言える。次年度の取り組みとしては、角度分解スペクトル装置を新たに光学系へ導入し、光学バンドや光エネルギー伝搬・集約の評価を試みる。また、系に対して電気化学電荷注入発光測定を行うことで、電荷注入密度と発光強度の相関からエネルギー伝搬の平均自由行程を明らかとする。以上の評価を通じて、これまでに報告例がない強結合準位と真空準位との相関を明確化する。
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