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2013 Fiscal Year Annual Research Report

プラズモニック光捕集アンテナ界面の構築

Publicly Offered Research

Project AreaChemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes
Project/Area Number 25107511
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

立間 徹  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90242247)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Keywordsプラズモン誘起電荷分離 / 光アンテナ / 酸化チタン / 金ナノ粒子 / 人工光合成 / 合金ナノ粒子
Research Abstract

本研究は、強い局在振動電場が生じるプラズモニックアンテナ界面を作製し、その界面で起こるプラズモン誘起電荷分離を、人工光合成系に適用することを目的としている。
まず、金ナノ粒子を用いた光捕集アンテナ界面の作製を行った。透明電極上に担持した金ナノ粒子を酸化チタンを被覆し、光捕集アンテナ界面を作製した。量子ドット増感光電極にこのアンテナ界面を適用したところ、光アンテナ効果に基づく外部量子収率の向上が見られた。続いて、より効率的な光捕集および近赤外域の光の利用を目指し、特定部位における局在振動電場の強度が非常に強く、近赤外域の光を吸収する異方的な形状の金ナノ粒子を用いて光アンテナ界面を作製した。透明電極上に作製した異方性金ナノ粒子を、低温で作製可能な酸化亜鉛薄膜で被覆することでアンテナ界面とし、量子ドット増感光電極に適用したことろ、波長1300 nmを超える範囲まで光電流を増強することに成功した。以上の結果は、2次元界面における電荷分離効率の向上に対応するものであることから、人工光合成系に適用可能な光アンテナ界面を作製し、その効果を実証することに成功したといえる。
さらに、ケルビンプローブフォース顕微鏡(KFM)を用いることによって、プラズモン誘起電荷分離に伴いナノ粒子から酸化チタンへ電子が移動していることが示された。また、金と銀の合金ナノ粒子を用いることにより、プラズモン誘起電荷分離の効率向上の指針が得られた。銀ナノ粒子によるプラズモン誘起電荷分離では、電荷分離に伴って銀自身が酸化溶解するが、銀に金を25%以上加えた合金ナノ粒子は光安定であり、金ナノ粒子よりも高いプラズモン誘起電荷分離効率を示した。
以上の成果より、金属ナノ粒子の形状や化学組成を制御することによって、効率的に光を捕集し、高いプラズモン誘起電荷分離効率を示す光捕集アンテナ界面の作製につながる知見を得ることができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成25年度には、種々の金属ナノ粒子を用いて光捕集アンテナ界面を作製し、それらが実際に量子ドット増感太陽電池の光電流を増強することを実証できた。これは、平成25年度の目標であった「光捕集アンテナ界面の作製」を達成していると言える。
水素発生系などへの適用については試行段階であり、やや遅れている一方で、プラズモン誘起電荷分離系については機構解明が進み、また、金属ナノ粒子の化学組成を制御することなどによって、高効率化に向けた指針も得られつつあるなど、想定を超えた進展もあった。
以上を総合的に勘案すると、本研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度は、光捕集アンテナ界面の構造のさらなる最適化を行い、半導体光電極などの中に光捕集アンテナを埋め込むなどのアプローチを行う。
また、金属ナノ粒子の化学組成や構造を最適化することで、プラズモン誘起電荷分離における外部量子収率を向上させるとともに、プラズモン誘起電荷分離の機構に関するさらなる知見を得ることを目指す。具体的には、金属ナノ粒子の化学組成や仕事関数、局在電場強度と電荷分離効率の関係や、プラズモン誘起電荷分離における酸化力の評価を行い、それらの結果から機構について考察する。
最終的には、最適化したアンテナ界面を、水分解をはじめとした人工光合成系へ適用することを目指す。

  • Research Products

    (16 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (11 results) (of which Invited: 1 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] In-Situ Nanoimaging of Photoinduced Charge Separation at the Plasmonic Au Nanoparticle-TiO2 Interface2014

    • Author(s)
      E. Kazuma and T. Tatsuma
    • Journal Title

      Adv. Mater. Interfaces

      Volume: 1 Pages: 1400066

    • DOI

      10.1002/admi.201400066

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 半導体ナノ粒子に対するプラズモニックナノ粒子のアンテナ効果2013

    • Author(s)
      立間 徹, 川脇徳久, 朝倉彰洋
    • Journal Title

      会報光触媒

      Volume: 41 Pages: 42-45

  • [Journal Article] プラズモン誘起電荷分離(PICS)の機構について2013

    • Author(s)
      立間 徹
    • Journal Title

      日本写真学会誌

      Volume: 76 Pages: 463-468

  • [Presentation] Enhancement of PbS Quantum Dot-Sensitized Photocurrents by Plasmonic Gold Nanoparticles: Effect of Quantum Dot Size

    • Author(s)
      Tokuhisa Kawawaki and Tetsu Tatsuma
    • Organizer
      26th International Conference on Photochemistry (ICP 2013)
    • Place of Presentation
      Leuven, Belgium
  • [Presentation] Photoelectrochemistry of Silver Clusters Supported on TiO2 under Visible Light Irradiation

    • Author(s)
      Atsushi Kogo, Nobuyuki Sakai, and Tetsu Tatsuma
    • Organizer
      224th ECS Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
  • [Presentation] Nanoimaging of Photoinduced Charge Separation at the Au Nanoparticle-TiO2 Interface by Kelvin Probe Force Microscopy

    • Author(s)
      Emiko Kazuma and Tetsu Tatsuma
    • Organizer
      12th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-12)
    • Place of Presentation
      Tsukuba, Japan
  • [Presentation] 金ナノプレート担持酸化チタンにおけるプラズモン誘起電荷分離のKFMによる解析

    • Author(s)
      立間 徹, 数間恵弥子
    • Organizer
      日本分析化学会 第62年会
    • Place of Presentation
      東大阪
  • [Presentation] 光電気化学エッチングによる銀クラスターのサイズ制御

    • Author(s)
      古郷敦史, 坂井伸行, 立間 徹
    • Organizer
      2013年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 量子ドット増感光電流のプラズモン共鳴による増強

    • Author(s)
      川脇徳久, 朝倉彰洋, 立間 徹
    • Organizer
      2013年電気化学会秋季大会
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 量子ドット増感光電流の金ナノ粒子による増強

    • Author(s)
      川脇徳久, 立間 徹
    • Organizer
      第3回CSJ化学フェスタ2013
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 金属クラスター増感酸化チタンの光機能とそのクラスターサイズ依存性

    • Author(s)
      古郷敦史, 坂井伸行, 立間 徹
    • Organizer
      第20回記念シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」
    • Place of Presentation
      東京
  • [Presentation] 局在プラズモンを利用した光電変換

    • Author(s)
      立間 徹
    • Organizer
      日本化学会第94春季年会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Invited
  • [Presentation] 近赤外域における量子ドット増感光電流の異方性金ナノ粒子による増強

    • Author(s)
      川脇徳久, 朝倉彰洋, 立間 徹
    • Organizer
      電気化学会第81回大会
    • Place of Presentation
      吹田
  • [Presentation] 金-銀合金ナノ粒子のプラズモン誘起電荷分離挙動

    • Author(s)
      西 弘泰, 立間 徹
    • Organizer
      電気化学会第81回大会
    • Place of Presentation
      吹田
  • [Book] 金属ナノ・マイクロ粒子の最新技術と応用 第3章2節 "金属ナノ粒子と光誘起電荷分離"2013

    • Author(s)
      立間 徹
    • Total Pages
      6
    • Publisher
      シーエムシー
  • [Remarks] 立間研究室ホームページ

    • URL

      http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/~tatsuma/

URL: 

Published: 2015-05-28  

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