2021 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of Cooperative Multiple Plasmonic Structures Using Metal Nanoparticle-Grating and Their Organic Photo-electronic device Applications
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20H02601
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
馬場 暁 新潟大学, 自然科学系, 教授 (80452077)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
城内 紗千子 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (20870760)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / 有機太陽電池 / センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、著しい光電場増強現象が得られる金属微粒子からなるナノ格子構造に金量子ドットを加えた、局在プラズモン・伝搬プラズモン・量子効果が協働するプラズモニック光電場増強システムを創出し、理論的にメカニズムを解明した上で高効率・高感度な新規有機光・電子デバイスの提案を行うことを目的としている。
この目的に対して、今年度は局在表面プラズモン励起による増感効果を利用した、グルコース検出のための自己給電型光電気化学センサの検討を行った。金粒子を導電性高分子であるPEDOT:PSS薄膜上に堆積し、光照射することでグルコースと金微粒子/PEDOT:PSS薄膜間で起こる酸化還元反応により検出を行うバイオセンサの構築を行った。この結果、光照射時に局在表面プラズモン励起によるフォトキャリアの生成により、グルコースと金微粒子/PEDOT:PSS薄膜での酸化還元反応が促進され電流が増加されたことによるセンサ感度の向上が得られた。さらに、PDMSを用いて DVD-R のグレーティング構造をサイトップに転写し、グレーティング構造を有する色素増感型のセンサデバイスを作製し、グルタチオンのセンシングを行った。この結果、伝搬型面プラズモン励起によるフォトキャリア増強に伴う光電流の増加が得られた。
また、金属グレーティング上に単層グラフェンシートを堆積した試料の設計及び作製も行った。グラフェン単層上に蛍光材料であるMEH-PPV薄膜を堆積して、発光強度を測定することで、グラフェン／グレーティング構造による表面プラズモンの相互作用による増強効果による発光強度の増加、すなわち電界増強効果が得られることが分かった。
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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
本研究の今年度の研究計画である、プラズモニックナノ構造の色素増感光電気化学センサへの応用・高感度化についての、ナノ構造を基にしたデバイス設計を行い、上記のように実験を進め、プラズモニックナノ構造による光電気化学センサにおける高感度化に成功した。局在型表面プラズモン励起を用いたグルコースセンサ、伝搬型表面プラズモンを用いたグルタチオンセンサ、それぞれにおいて、プラズモン励起によるフォトキャリア増加効果が得られ、光電流の増加、センサの高感度化を確認することができた。さらに、金属グレーティング上にグラフェンシートを堆積することで表面プラズモン励起相互作用による更なる電界増強効果を得ることができた。今後はこれらの成果を基に、太陽電池応用や光熱デバイス応用についての実験を進めていく予定である。
以上のように、電界増強構造の設計、センサ応用についての計画を実施してそれぞれ成果が得られており、概ね当初の計画通り達成できた。これらの結果は、すでに学会での発表を行っており、論文投稿の準備中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度はこれまでに得られた研究をさらに進め、プラズモニックナノ構造の有機太陽電池への応用について、これまで得られたナノ構造を基にデバイス設計を検討する。すなわち、金属微粒子プラズモニックナノ構造上に直接光電変換層を堆積できる逆型有機太陽電池構造についてプラズモニック効果の検討を行う。金量子ドットによるエネルギー移動効果や、紫外光から可視光への変換による有機層の可視光吸収フォトキャリア増加、プラズモン光電場変化など、波長毎の光電変換構造や室内光下での最適化を行い高効率デバイスの開発に結び付ける。また、プラズモニックナノ構造による著しい光電場エネルギー増強現象に起因した、金属/有機層界面での光熱発生とフォトキャリア増加による光電変換特性向上、双方の効果を利用したプラズモニック有機光電・熱電変換複合デバイスの創出を行う。有機太陽電池で主に可視域の光により光電変換を行い、有機太陽電池の光電変換層で吸収されずに透過する近赤外域光をプラズモニック電極に熱電デバイスを貼り合わせることで、発生する光熱を熱電変換にも利用する。有機太陽電池には、比較のため可視域のみに光吸収をもつ光電変換ポリマーや、近赤外域に光吸収をもつ狭バンドポリマーも用いて検討を行う。
また、得られた成果は国内・国外の学会で報告を行うことにより公表し、国際論文誌での誌上発表も積極的に行う。
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