2020 Fiscal Year Annual Research Report
ガルバニック水中結晶光合成の学理構築に基づく機能性３次元ヘテロナノ構造体創製
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20H00295
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
渡辺 精一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (60241353)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柴山 環樹 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10241564)
岡本 一将 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (10437353)
JEEM MELBERT 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (00815805)
張 麗華 北海道大学, 工学研究院, 助教 (60719714)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水中結晶光合成 / ガルバニック効果 / 光冶金学 / ラジカルメタラジー / 太陽光利用技術開発 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者らは、常温、常圧、中性水中で、金属表面への可視光域から紫外域の光照射により、光誘起水分解を伴いながら特異な突起状金属酸化物のナノ結晶が成長することを見出し、水中結晶光合成と命名した。現在 、この新奇現象を利用した様々な金属酸化物のナノ粒子、ナノ表面構造を水と光のみで創るグリーンマテリアル研究開発を進めてきているが、本研究では、異種金属同士を直接接触させるガルバニック効果を伴う光誘起の水中結晶生成の学理を光物性学と光化学・光電気化学とを融合するフォトメタラジー（光冶金学）の観点から明らかにし、ナノ構造化に伴う高効率な光・電子変換機能性を示す新奇の３次元ヘテロナノ構造体デバイスの作製を行った。
１．電気化学測定手法を駆使した光化学反応解析、光が材料に及ぼす誘起効果を原子レベルで解明する光物性評価のために、以下の4項目を役割分担して行った。１－１G-SPSC反応解析：１－２：光物性評価、光・電子物性解析：１－３電子顕微鏡オペランド解析１－４ γ線照射、水ラジカル反応
２. G-SPSCによる３次元ヘテロナノ構造体創製：電子デバイス、パターン化デバイス開発
光・電子デバイスや光機能デバイス作製応用を行う。これらの研究項目を実施し、3篇の論文公開を行った。
本年度の当初研究計画に加え、溶出液分析のためのスペクトル測定 、水溶液の純度測定の定量評価を取り入れた電気化学測定手法を駆使した光化学反応解析を前倒しで行なった。具体的には溶出試験器により溶出水溶液を定量解析評価し、光化学反応解析を実施した。得られた結果については、本年度の当初計画にある光物性評価、光・電子物性解析の結果と総合的に比較評価することで、より詳細な電気化学測定手法を駆使した光化学反応解析を行っている。
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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
当初計画の項目はほぼ終了した。
また、当初計画にはなかった新たな光機能の研究項目として、太陽光利用技術開発とし疑似太陽光を利用して、水蒸発の研究実施を行い、投稿論文として成果公表した。
これの手法は、光触媒の水分解の研究に加えて、海水等の水浄化ならびに太陽光による水蒸発を利用した水資源の確保のために、再生可能技術としてクリーン水製造の技術開発につながる将来有望な知見が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
【G-SPSC反応解析】光電気化学測定を行い光照射効果による物性変化評価を行うが、この時、初年度導入した光電気化学測定装置を用いて、光の波長、照射強度依存性を詳細に定量測定する。吸光度測定を用いヒドロキシルラジカル(・OH)の同定にはPNDA試薬、スーパーオキシドアニオン(O2－)形成の抑止剤にはSODを用いて、活性酸素種の同定ならびにラジカル反応種の調査を行う。また、XPS,XRD,SEM,TEMによる材料組織解析ならびにPL,CLによる発光特性の光物性調査を行う。
【光物性評価、光・電子物性解析】今年度は、ヘテロナノ接合界面での特異な格子欠陥を同定するために、PLやCL測定に加え、購入機器で吸光度測定、密度汎関数法に基づく第一原理計算から電子状態密度と誘電率評価を行い、光物性の発現機構を総合的に調査する。
【γ線照射、水ラジカル反応】大阪大学産研の放射線施設で60Co線源のγ線照射試験を行う。γ線照射ではファイバー状の酸化物形成が見受けられる。高透過性を有する放射線のγ線照射により、試料表面のみならず水分解に伴うラジカル種、イオン種を水中で高濃度で生成させることが可能である。
【G-SPSCによる３次元ヘテロナノ構造体創製：電子デバイス、パターン化デバイス開発】マスクやメッシュ等を用い所定の箇所に各種金属酸化物のナノ構造を積み上げ、光・電子デバイスや光機能デバイス作製応用を行う。異種金属を使い、光ガルバニック効果（ガルバニック効果と光照射効果）により、各種金属のSPSC最適組み合わせを調査する。疑似太陽光照射を用い、これらの量子効率評価を行いながら光・電子デバイス創製を行う。
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