2021 Fiscal Year Annual Research Report

光エネルギー集約場が織りなす異方的長距離電荷輸送系の開拓

Research Project

Project/Area Number	20J20968
Research Institution	Hokkaido University
Principal Investigator	林峻大北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2023-03-31
Keywords	格子プラズモン / 励起子ポラリトン / 電気化学
Outline of Annual Research Achievements	金属ナノ構造体に誘起されるプラズモン場と分子励起子が互いに強く相互作用することにより形成する強結合状態では、励起子ポラリトンと呼ばれる光と物質が混成した混成励起状態が形成する。本研究では、励起子ポラリトンを用いることで光エネルギーの高効率利用を可能とする新たな光電変換系を創出し、励起子ポラリトンから効率的にエネルギーを外部へ取り出すことが可能な新手法を提案する。当該年度は、励起寿命が局在系と比較して長い光学モードが発現する格子構造体を作製し、色素担持により強結合系を形成した。形成した強結合系において、角度分解消光計測を行うことで、照射光角度に依存する光物質層のエネルギー状態に関する知見が得られた。さらに当該系において、生成したエネルギー状態の電気化学手法による制御を試みた。その結果、励起子ポラリトンに由来する消光ピークの電位応答を調査した結果、電気化学電位制御により強結合系のエネルギー状態を可逆的に変調可能となることを見いだし、光エネルギー利用の可能性を拡充した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当該年度は研究実施計画に従い、再現性良く強結合状態を形成する金属ナノ構造体の設計指針と、そのエネルギー状態の定量的な評価に取り組んだ。金属ナノ構造体については、様々な粒子形状、周期条件の金格子構造体を電子線リソグラフィー法により精密に作製し、その光学特性を評価することで光を強く閉じ込める構造体設計指針を明らかにした。エネルギー状態評価に関しては、角度分解消光装置を用いた消光測定により、強結合系のエネルギー分散関係を算出することを可能とし、エネルギー状態の定量的な評価が実現した。これらの成果に加えて、電気化学電位制御により強結合系のエネルギー状態を可逆的に変調することを可能にした点は、励起子ポラリトンを用いた光電変換系の光利用効率の拡充を示唆する事実である。これらの状況から、研究はおおむね順調に進展していると考えている。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究においては、異方的なエネルギー分散関係を有する金格子構造体を用いて、励起子ポラリトンの伝播特性と電荷分離特性の関係解明に取り組み、光エネルギーの長距離伝搬による高効率光エネルギー変換系の構築に挑む。まず異方的な形状を有する金ナノ粒子を利用し、エネルギー分散関係に偏光異方性を有する格子プラズモンモードを持つ金格子構造体を設計する。次にこの構造体を用いて有機色素との強結合系を構築することで、照射光の偏光方向を規定することによる励起ポラリトンの伝播方向・伝播長の制御に取り組む。強結合形成前後での系のエネルギー分散関係ならびに励起子ポラリトンの伝播方向・伝播長については、前年度までに確立した角度分解消光計測と蛍光測定から評価し、蛍光強度の空間分布計測により評価を行う。なお、角度分解消光計測については、これまでs偏光を用いた測定のみ実施してきたが、系に関するより多くの情報を取得するため、p偏光による計測が可能となるよう装置の一部改良を行う。また励起子ポラリトンの蛍光計測に関しても、空間分布計測に加え蛍光の角度分解計測を行う。さらには電気化学計測並びに電子アクセプター分子（消光剤）導入下での励起子ポラリトンの蛍光スペクトルの強度変化から励起子ポラリトンの電荷分離速度を推定し、励起子ポラリトンの伝播長と比較検討することで、伝播方向・伝播長と電荷分離特性の相関関係を明らかにする予定である。