2021 Fiscal Year Annual Research Report
光と印加電圧の相乗効果によって発現する薄膜とナノ粒子間の電子移動の機構解明
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19K15513
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
飯田 健二 北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (20726567)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 電圧 / 光 / 電子ダイナミクス / ナノ物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、ナノ粒子や薄膜からなる不均一系を対象として、光や電圧によって生じる電子移動の大規模計算を行ってきた。また同時に、量子力学と統計力学の方法論を融合することで、電圧や溶媒和を扱うことができる理論的手法を開発してきた。主な成果を以下にまとめた。
(1) 銀ナノ粒子と酸化チタンの界面での光誘起電子移動の機構を解析した。その結果、光で誘起される電場によって、銀で励起した電子が銀の伝導体を経ることなく酸化チタンに直接移動することが明らかになった。従来は、銀の内部で励起電子が生成した後に移動すると考えられていた。しかし本研究から、界面での電子的相互作用によって電子移動が誘起される新たな機構が見いだされた。
(2) グラフェンに有機分子を担持した複合系の電圧依存性について計算を行い、電極電場によってグラフェンと有機分子の間の電子移動量が大きく変化することを見出した。これより、グラフェンなどの原子層状物質に電圧を印加すると、吸着した有機分子も含めた複合系が電極として働くことが明らかになった。
(3) 溶液中での貴金属と分子の間の光誘起電子移動について研究を行った。光電極では溶媒が用いられるが、溶媒和の役割については良く分かっていない。そこで、水和を露わに考慮して光励起電子ダイナミクスの計算を行った。その結果、光励起によって水分子から金ナノクラスターへと電子が移動し、そして電子移動量が水和によって増加することが明らかになった。
以上の3つの研究成果をそれぞれ論文にして報告した。本課題を通して、ナノ物質で構成される不均一系の光や電圧に対する応答の理論計算手法を確立した。そして、ナノ物質や原子層状薄膜に特有の、バルクの固体や小分子とは異なる外場応答機構を解明することに成功した。また、光や電極電場で誘起される界面での相互作用が支配する電子移動の機構を明らかにした。
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