Elucidating the mechanism of electron transfer between a nanoparticle and a thin film induced by light and voltage bias

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15513
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Iida Kenji 北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (20726567)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 光励起 / 電圧 / ナノ物質 / 界面 / 電子ダイナミクス / 溶媒和 / 電子移動

Outline of Final Research Achievements

We have studied the response mechanism of heterogeneous materials to light and voltage bias. Our theoretical and computational study revealed that the interface region in heterogeneous systems governs the efficiency of the photoinduced electron transfer and the carrier distribution generated by bias voltage. Furthermore, a theoretical method based on quantum and statistical mechanical theories has been developed to investigate a heterostructure-solution interface. The developed method was applied to elucidate the photoinduced electron transfer from water to a metal nanoparticle and the property of the heterogeneous electric double layer.

Free Research Field

量子化学、統計力学、計算物質科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

不均一な構造をもつ物質の光や電圧に対する応答の理論的研究は容易ではなく、これまで進んでこなかった。しかし、本研究によって方法論の開発が大きく進展した。そして、ナノ物質や単原子層状物質に特有の光や電圧に対する応答機構が明らかになった。さらに、光電場や電極電場によって界面に誘起される相互作用で電子移動の効率が大きく変化することが見いだされた。得られた知見は、界面と光や電圧の相互作用を制御するという観点から光電変換能を改変する指針を得ることに繋がる。希少な元素を用いた化学的性質の制御とは全く異なっており、潤沢に存在する物質を用いた光電極や光電子デバイスの設計に貢献すると期待される。