2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of biophotonics and photochemical applications of silicon quantum dots in collaboration with a consortium established for the formation of "Silicon Nanomaterials Center" founded by US NSF
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18KK0141
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
藤井 稔 神戸大学, 工学研究科, 教授 (00273798)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
加納 伸也 神戸大学, 工学研究科, 助教 (20734198)
杉本 泰 神戸大学, 工学研究科, 助教 (40793998)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2024-03-31
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| Keywords | シリコン量子ドット / シリコンナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本プロジェクトは，研究代表者のグループが開発したホウ素，シリコン，リンからなるアモルファスシェルを有する全無機シリコン量子ドットのバイオフォトニクス分野及び光化学分野への応用展開を実証することを目的とする。この量子ドットは静電反発により広いpH範囲で高い水分散性を示す。また，発光特性が環境や表面の化学反応に対して鈍感であり，様々な環境下で生体分子の透過率の高い近赤外領域にサイズにより制御可能な発光を示す。量子ドットに関する研究に加えて，サブミクロンサイズシリコンナノ粒子も研究の対象とする。直径100nm程度のシリコンナノ粒子は可視領域にシャープなMie共鳴を持つことから，光ナノアンテナ材料として期待されている。本年度は，これらの材料に関して主に以下の研究を行った。
１．シリコン量子ドットを蛍光体とした蛍光検出型バイオセンサの開発を目的に，IgG抗体にシリコン量子ドットを結合する技術の開発を行った。その結果，シリコン量子ドットの近赤外発光特性を損なうことなく，またIgG抗体の結合活性を損なうことなく複合体を形成する事に成功した。
２．シリコン量子ドットの水素生成光触媒としての機能を詳細に研究した。その結果，本材料が従来のシリコン系ナノ材料に比べて安定した光触媒性能を示すことが明らかになった。また，光触媒効率のサイズ依存性を初めて明らかにし，量子サイズ効果によるエネルギー準位構造の変化が光触媒特性に大きな影響を及ぼすことを示した。
３．Stanford大学のグループと共同で，シリコンナノ粒子による２次元半導体WS2の発光特性制御に関する研究を実施した。WS2表面にシリコンナノ粒子を配置するという非常にシンプルな構造において，発光の取り出し効率が大きく向上することを実験と理論計算の両面から実証した。尚，共同研究実施のために，博士課程学生がStanford大学に短期間滞在した。
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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
研究に関しては，研究代表者のグループで開発した全無機シリコン量子ドットのバイオ応用及び光化学分野への応用展開に関して，当初の予定よりも早いペースで研究が進展している。また，サブミクロンサイズシリコンナノ粒子に関しても、論文執筆につながる重要なデータを得ている。研究交流に関しては、UC San DiegoのM. Sailor教授が研究代表者の研究室を訪問し、共同研究について議論を行うと共に公開のセミナーを行った。また、博士課程学生がStanford 大学において共同研究を行う等、順調に推移している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画通り，UC San DiegoのM. Sailor教授のグループが中心となって推進しているシリコンナノ材料のバイオ応用に関するコンソーシアムのメンバー（主にUSAのグループ，カナダ，イタリア，韓国のグループが准メンバーとして加わっている）と交流を深め，研究代表者のグループで開発した全無機シリコン量子ドットのバイオフォトニクス分野及び光化学分野への応用実証を行っていく。また，それと並行して、サブミクロンサイズシリコンナノ粒子の光アンテナ応用に関する研究を強力に推進する。そのために、北米及びヨーロッパのコンソーシアム以外のメンバーとの交流及び共同研究を積極的に推進する。具体的には，Stanford大学のM. Brongersma教授のグループとの共同研究を実施することを計画している。
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| Causes of Carryover |
残額はごくわずかで、消耗品購入のタイミングの問題で発生したものであり、R２年度に使用する。
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