2023 Fiscal Year Annual Research Report
Electrochemistry of Polaritonic Substrates
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22H02023
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村越 敬 北海道大学, 理学研究院, 教授 (40241301)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福島 知宏 北海道大学, 理学研究院, 講師 (50801560)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 強結合 / ポラリトン / ナノ構造電極 / 電子移動反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属ナノ構造を二次元配列した表面格子構造を利用することで、Surface Lattice Resonance (SLR) モードを誘起する事が可能となる。色素分子をSLR特性を有する金属ナノ構造配列電極に対して結合させ、ポラリトン状態を観測した。真空場の空間広がりによりコヒーレントな分子数の増大が実現され、結合強度が最大で0.5 程度の値を示す超強結合状態となる系の創出にも成功した。本系においては特徴的な多準位系のポラリトン状態とピークの半値幅としても0.1 eVを下回る先鋭なピークが観測され、SLRに由来した長寿命なポラリトン状態が形成していると考えられる。さらに有機太陽電池にも利用可能な色素においても同様に超強結合状態が観測され、汎用的な色素系に対する電子状態制御が構築可能なプラットフォームの構築に成功した。
強結合状態における電子移動反応に関して、報告されている理論に基づき、電極ー電解質界面での電子移動反応系への適用を検討した。従来のMarcus理論と同様に電極電位、電子状態密度および再配列エネルギーによってその電子移動速度は変調を受けるが、強結合状態においては仮想励起状態を介した電子移動反応が可能となることが示唆された。さらには、モード体積およびコヒーレントな分子数を設定することにより、強結合状態での特異な電子移動反応速度の加速が示唆された。独自に構築した理論を用いて強結合電極での実験結果の解析を行い、理論の妥当性を検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ガラス基板上にディスク径100 nm、ディスク高さ70 nmの構造を有するAuナノディスク構造の格子間隔が300 nmから600 nmの範囲で六方格子の対称性を有するSLR構造を作成した。ポリメチルメタクリレート中における色素分子の濃度を0 Mから2 Mの範囲で変化させたところ、結合強度の変化が観測された。さらには0.6 M程度の濃度よりも高濃度領域においては多準位ポラリトン状態に由来すると考えられるピークが複数観測され、最終的には結合強度が0.5を超える超強結合状態が観測された。また上肢ポラリトンにおいては線幅の広いピークが観測されたのに対して、下肢ポラリトンにおいては線幅が0.1 eVを下回るピークが観測された。下肢ポラリトンに由来すると考えられる多準位に由来する発光挙動が観測された。さらには温度依存性に関して検討を行ったところ、通常のfilmにおいては温度に依存した発光ピーク強度の変調が確認されたのに対して、ポラリトン状態においては温度依存性が観測されなかった。以上の検討からエネルギー移動を伴う形でのdark stateを介したエネルギー集約系の寄与が示唆された。
当初計画していた実験的な検討に加えて、電子移動反応に関しても理論的に検討した。従来のMarcus理論と同様に電極電位、電子状態密度および再配列エネルギーによってその電子移動速度は変調を受けるが、強結合状態においては仮想励起状態を介した電子移動反応が可能となることが示唆された。さらには、モード体積およびコヒーレントな分子数を設定することにより、従来の古典的な電子移動反応速度に加えて、強結合状態での特異な電子移動反応プロセスの存在が示唆された。特に再配列エネルギー、モード体積が小さく、コヒーレント分子数が多いときには過電圧の低減も観測された。
以上の事項からポラリトン電気化学反応をすすめるための実験的検討に加えて、理論的検討も併せて進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる次年度においては、電子移動反応に関して検討を進め、原理探索を完遂する。研究分担者を追加して、光学特性変調などに関して詳細な検討を進める。
構造電極のモード体積、コヒーレントな分子数を系統的に変調させ、これらの原理探索を行う。特に電子線リソグラフィを利用してナノ構造を作成することにより、構造作成および光学特性評価を進める。これらの構造の設計・作成を進めるとともに、特に表面格子共鳴のような先鋭化させた共鳴モードを有する構造電極を作成する。さらにはこれらの光学特性変化を消光、散乱、蛍光計測から明らかとする。さらにはエネルギー伝搬に関しても検討を行うために、蛍光イメージングを利用する。これによりSLR電極などにおいてモード体積とコヒーレントな分子数がコヒーレンス伝搬長に対してあたえる影響に関しても検討を進める。またコヒーレントな場における電子移動反応速度に関して電気化学評価から検討をおこなう。一電子移動反応の電子移動速度の線速度変調に関して検討を進め、他電子移動反応過程へと拡張を行うことにより、電気化学反応評価に関して検討を進めることを予定している。
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