フェムト秒分光による界面電子移動反応におけるプラズモン増強効果の機構解明

• Project Area: Strong Photons-Molecules Coupling Fields for Chemical Reactions
• Project/Area Number: 21020041
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 古部 昭広 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測フロンティア研究部門, 主任研究員 (30357933)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2010: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2009: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000)
• Keywords: 超高速分光 / 界面 / プラズモン / 過渡吸収 / フェムト秒レーザー / 電子移動 / 光電変換 / ダイナミクス

Research Abstract

金属ナノ構造に生成する局在プラズモンは、金属近接場に大きな電場を作り出し、効率的な反応、新たな反応を引き起こすことが理解されつつあり、多くの基礎・応用研究が進んでいる。
本研究実施者は、これまで、酸化チタンナノ微粒子上の金ナノ粒子を励起した際、50fs以内に約30-100%の収率で、酸化チタンの伝導帯に電子移動反応が起こることを、過渡吸収測定から解明した。その後、金ナノ粒子間付近に生じる増強電場が金から酸化チタンへの電子移動反応に与える効果を、フェムト秒の過渡吸収分光により定量的・体系的に明らかにした。H22年度は、増強電場が他の反応系にあたえる増強反応の機構理解を、素過程の解明から進めた。
具体的には、共同研究を通して、金属以外の増強電場の系として、金属酸化物(ITO)ナノ粒子における電場増強効果を表面コート色素の2光子励起条件下でのフェムト秒過渡吸収を測定することによって評価した。ITOナノ粒子が無いときに較べ30倍の信号増強が得られ、金属酸化物でも大きな電場増強が起こることを定量的に確かめた。また他の共同研究として、高強度フェムト秒パルスで励起された金ナノ粒子から電子が周りの水中に放出されることによっておこるクーロン爆発現象の実時間観察に成功した。本来の研究課題である金と酸化チタンの電荷分離過程において、その再結合時間が10-100psスケールと速いことの原因を量子ドットと酸化チタンの系との比較から議論し、粒子同士の接触面積が大きいことが問題であることを提案した。

Research Products

• [Journal Article] Femtosecond Laser-Induced Size Reduction of Aqueous Gold Nanoparticles : In Situ and Pump-Probe Spectroscopy Investigations Revealing Coulomb Explosion (2011)
  • Author(s): Daniel Werner, Akihiro Furube, et al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 115 Pages: 8503-8512
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of Particle Size Effect on Electron Injection Efficiency in Ruthenium Dye-Sensitized TiO_2 Nanoparticle Films (2010)
  • Author(s): Luchao Du, Akihiro Furube, et al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 114 Pages: 8135-8143
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmon induced electron transfer at gold-TiO_2 interface under femtosecond near-IR two-photon excitation (2009)
  • Author(s): Luchao Du, Akihiro Furube, et al.
  • Journal Title: Thin Solid Films 518 Pages: 861-864
  • Peer Reviewed
• [Presentation] フェムト秒分光による界面電子移動反応におけるプラズモン増強効果の機構解明 (2011)
  • Author(s): 古部昭広
  • Organizer: 「光-分子強結合反応場の創成」第8回シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本科学未来館(東京)
  • Year and Date: 2011-01-28
• [Presentation] Electron injection dynamics from nanoparticles into TiO2 : comparison between gold and CdSe nanoparticles (2010)
  • Author(s): Akihiro Furube, Luchao Du, et al.
  • Organizer: Pacifichem 2010
  • Place of Presentation: Honolulu (USA)
  • Year and Date: 2010-12-16
• [Presentation] プラズモン特性を有するITOナノ粒子基板における電場増強度の過渡吸収法による定量評価 (2010)
  • Author(s): 古部昭広、金原正幸、吉永泰三、寺西利治
  • Organizer: 固体・表面光化学討論会
  • Place of Presentation: 九州大(福岡)
  • Year and Date: 2010-10-25
• [Presentation] Ultrafast spectroscopic study on interfacial electron transfer in solar cell nanomaterials (2010)
  • Author(s): Akihiro FURUBE
  • Organizer: Workshop on Characterisations for Photovoltaic Materials and Devices
  • Place of Presentation: IMRE (Singapore)
  • Year and Date: 2010-10-13
• [Presentation] 超高速分光による次世代太陽電池における光エネルギー変換機構 (2010)
  • Author(s): 古部昭広
  • Organizer: 日本化学会関東支部大会
  • Place of Presentation: 筑波大(茨城県)
  • Year and Date: 2010-08-30
• [Presentation] Femtosecond spectroscopy of charge separation in a CdSe quantum dot sensitized solar cell (2010)
  • Author(s): Akihiro Furube, Masahiro Miyauchi, et al.
  • Organizer: IPS-18
  • Place of Presentation: Seoul (Korea)
  • Year and Date: 2010-07-26
• [Presentation] ナノ微粒子を用いた太陽電池デバイスにおける超高速電子移動メカニズム (2010)
  • Author(s): 古部昭広
  • Organizer: 第2回 環境・生体の関わる物理・化学の研究会
  • Place of Presentation: 琉球大学(沖縄県)
  • Year and Date: 2010-06-06
• [Presentation] フェムト秒分光による界面電子移動反応におけるプラズモン増強効果の機構解明 (2010)
  • Author(s): 古部昭広
  • Organizer: 特定領域研究「光-分子強結合反応場の創成」領域および新学術領域研究「半導体における動的相関電子系の光科学」領域合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 台場(東京都)
  • Year and Date: 2010-05-27
• [Presentation] フェムト秒分光による界面電子移動反応におけるプラズモン増強効果の機構解明 (2010)
  • Author(s): 古部昭広
  • Organizer: 「光-分子強結合反応場の創成」第7回シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学(仙台市)
  • Year and Date: 2010-05-21
• [Presentation] Mechanism of light energy conversion in gold-TiO_2 nanostructures : importance of electric field enhancement by plasmon (2010)
  • Author(s): Akihiro Furube, Luchao Du, et al.
  • Organizer: 217th ECS Meeting
  • Place of Presentation: Vancouver (Canada)
  • Year and Date: 2010-04-27
• [Presentation] Ultrafast spectroscopic study on interfacial electron transfer in solar cell nanomaterials (2010)
  • Author(s): Akihiro Furube
  • Organizer: Plasmonics & Excitonics
  • Place of Presentation: メルボルン
  • Year and Date: 2010-03-01
• [Presentation] Ultrafast plasmon-induced electron transfer dynamics in gold-TiO2 nano particle systems (2010)
  • Author(s): Akihiro Furube, Luchao Du, et al.
  • Organizer: 2010 International Conference On Nanoscience and Nanotechnology
  • Place of Presentation: シドニー
  • Year and Date: 2010-02-26
• [Presentation] Ultrafast spectroscopic study on interparticle electron transfer between gold and TiO_2 (2009)
  • Author(s): Akihiro Furube, Luchao Du, et al.
  • Organizer: ACS 238th National Meeting
  • Place of Presentation: ワシントンDC
  • Year and Date: 2009-08-17
• [Presentation] Internanoparticle electron transfer between gold and TiO_2 : Effect of enhanced electric field at the interface (2009)
  • Author(s): Akihiro Furube, Luchao Du, et al.
  • Organizer: Femtochemistry
  • Place of Presentation: 北京
  • Year and Date: 2009-08-10
• [Book] セラミックス機能化ハンドブック 第5編第4章-3「偏光近接場光を用いた微細領域の光学特性評価」 (2011)
  • Author(s): 古部昭広、田中順三
  • Total Pages: 5
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
• [Book] プラズモンナノ材料の最新技術 (2009)
  • Author(s): 古部昭広
  • Total Pages: 305
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Remarks]
  • URL: http://staff.aist.go.jp/akihiro-furube/furube.html
• [Remarks]
  • URL: http://staff.aist.go.jp/akihiro-furube/furube.html