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フォトニック結晶と結合する局在プラズモンを用いた光アンモニア合成

研究課題

研究課題/領域番号 17H01041
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 ナノ材料化学
研究機関北海道大学

研究代表者

三澤 弘明  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30253230)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2018年度)
配分額 *注記
43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円)
2018年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
2017年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円)
キーワードフォトニック結晶 / 高効率太陽光発電材料・素子 / プラズモン / 光アンモニア合成 / 人工光合成
研究実績の概要

金ナノ微粒子が示す局在プラズモン共鳴を利用し、水を電子源として空中窒素からアンモニアを高効率に合成するためには、入射光を極めて高い効率で金ナノ微粒子に吸収させることが可能な光アノードの開発が必要不可欠である。前年度までに、可視光の閉じ込め機能を有する酸化チタン逆オパールフォトニック結晶中に局在プラズモン共鳴を示す金ナノ微粒子を担持させた光アノードの作製に成功している。平成30年度はフォトニック結晶のストップバンドモードとプラズモンモードをより強く結合させるため、フォトニック結晶中に担持する金ナノ微粒子のサイズや、空間分布を電気化学的手法を用いて制御する方法論の開発に取り組んだ。作製した酸化チタン逆オパールフォトニック結晶構造をカソードとし、それを塩化金酸を加えた電解質水溶液中に浸漬して電解還元により金ナノ微粒子をフォトニック結晶表面に担持した。定電流電解によって担持した金ナノ微粒子のサイズは数ナノメーターと小さく、局在プラズモンバンドがフォトニック結晶のストップバンドモードよりも短波長側に生じたため十分な強結合状態は得られなかった。大きな金ナノ微粒子を形成させて局在プラズモンモードをより長波長側に出現させるため、パルス電流を用いて電解還元を行ったところ、パルス形状により粒径が10数ナノメーターの金ナノ微粒子が生成し、フォトニック結晶のストップバンドモードとプラズモンモードのより強い強結合状態が形成することを見出した。一方、フォトニック結晶と同様に光閉じ込め効果を有するナノ共振器をn型半導体である酸化チタン薄膜とp型半導体である酸化ニッケル薄膜を接合させ、さらにその接合面に金ナノ微粒子を配置して形成させ、太陽電池構造を作製したところ、照射光波長によって電流の流れる向きが反転するスイッチ現象が現れることも見出し論文として報告した。

現在までの達成度 (段落)

30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (52件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 6件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 5件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 19件、 招待講演 13件) 図書 (2件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [国際共同研究] National Chiao Tung University/Academia Sinica/National Taiwan University(台湾)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [国際共同研究] Peking University(中国)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [国際共同研究] Konstanz University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] Plasmon-assisted polarity switching of a photoelectric conversion device by UV and visible light irradiation2018

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, T. Oshikiri, K. Ueno, T. Katase, H. Ohta, H. Misawa
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 122 号: 25 ページ: 14064-14071

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.8b01198

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Solid-state plasmonic solar cells2018

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, T. Oshikiri, Q. Sun, X. Shi, H. Misawa
    • 雑誌名

      Chemical Reviews

      巻: 118 号: 6 ページ: 2955-2993

    • DOI

      10.1021/acs.chemrev.7b00235

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spatial evolution of the near-field distribution on planar gold nanoparticles with the excitation wavelength across dipole and quadrupole modes2017

    • 著者名/発表者名
      J. Yang, Q. Sun, H. Yu, K. Ueno, H. Misawa, Q. Gong
    • 雑誌名

      Photon. Res.

      巻: 5 号: 3 ページ: 187-193

    • DOI

      10.1364/prj.5.000187

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Optimization of a compact layer of TiO2 via atomiclayer deposition for high-performance perovskite solar cells2017

    • 著者名/発表者名
      A. E. Shalan, S. Narra, T. Oshikiri, K. Ueno, X. Shi, H.-P. Wu, M. M. Elshanawany, E. W.-G. Diau, H. Misawa
    • 雑誌名

      Sustainable Energy & Fuels

      巻: 1 号: 7 ページ: 1533-1540

    • DOI

      10.1039/c7se00220c

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Exploring the near-field of strongly coupled waveguide-plasmon modes by plasmon-induced photocurrent generation using a gold nanograting-loaded titanium dioxide photoelectrode2017

    • 著者名/発表者名
      J. Guo, K. Ueno, J. Yang, X. Shi, J, Li, Q. Sun, T. Oshikiri, H. Misawa
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 121 号: 39 ページ: 21627-21633

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b07707

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Interplay of hot electrons from localized and propagating plasmons2017

    • 著者名/発表者名
      C. V. Hoang, K. Hayashi, Y. Ito, N. Gorai, G. Allison, X. Shi, Q. Sun, Z. Cheng, K. Ueno, K. Goda, .H. Misawa
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 8 号: 1 ページ: 771-771

    • DOI

      10.1038/s41467-017-00815-x

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhancing surface sensitivity of nanostructure-based aluminum sensors using capped dielectric layers2017

    • 著者名/発表者名
      K.-L. Lee, P.-G. Tsai, M.-L. You, M.-Y. Pan, X. Shi, K. Ueno, H. Misawa, P.-K. Wei
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 2 号: 10 ページ: 7461-7470

    • DOI

      10.1021/acsomega.7b01349

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 局在プラズモンの人工光合成への展開2017

    • 著者名/発表者名
      押切友也、上野貢生、三澤弘明
    • 雑誌名

      機能材料

      巻: 37 ページ: 40-49

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] 局在表面プラズモンの基礎とその光化学反応への展開2017

    • 著者名/発表者名
      押切友也、上野貢生、三澤弘明
    • 雑誌名

      色材協会誌

      巻: 90 ページ: 408-413

    • NAID

      130006301986

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Plasmon-induced water splitting promoted by strong coupling between nanocavity and localized surface plasmon modes2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The Second International Workshop on Strong Coupling with Organic Molecules
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] プラズモンを用いた太陽光エネルギー変換2018

    • 著者名/発表者名
      三澤 弘明
    • 学会等名
      平成29年度岡山大学次世代研究コア形成支援事業「触媒科学による持続可能な開発への貢献」ミニシンポジウムシリーズ「光触媒開発が先導する「人工光合成」技術 Ⅰ」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Plasmon-induced water splitting and its enhancement by strong coupling between nanocavity and localized surface plasmon modes2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The International CLS Forum on Photo and Catalytic Science for Sustainable Society
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmon-induced water splitting and its enhancement by strong coupling between nanocavity and localized surface plasmon modes2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      2018 IMCE International Symposium
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of electron transfer in gold nanoparticles/titanium dioxide system by transient absorption spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Jie Li, Kosei Ueno, Quan Sun, Tomoya Oshikiri, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ファブリ・ペローナノ共振器-プラズモン強結合を利用した高光吸収太陽電池の電気特性評価2018

    • 著者名/発表者名
      中村圭佑、押切友也、石 旭、上野貢生、三澤弘明
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 3次元プラズモン光アノードの金属/半導体界面制御2018

    • 著者名/発表者名
      高倉稜平、押切友也、上野貢生、近藤敏彰、益田秀樹、三澤弘明
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication of high-absorption plasmonic photoanode with microhole array2018

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Strong coupling between Fabry-Perot nanocavity and localized surface plasmon resonance and its application for efficient water splitting2018

    • 著者名/発表者名
      Xu Shi, Kosei Ueno, Tomoya Oshikiri, Quan Sun, Keiji Sasaki, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Spectral properties of the strong coupling between microcavity and molecular vibrational modes2018

    • 著者名/発表者名
      Kosei Ueno, Tomoya Oshikiri, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Plasmonic nanoparticles and the coherent interaction with dye molecules2018

    • 著者名/発表者名
      Miharu Eguchi, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会 (2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Near-field spectral properties of coupled plasmonic systems2017

    • 著者名/発表者名
      Kosei Ueno, Quan Sun, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      Progress In Electromagnetics Research Symposium 2017 (PIERS 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Near-Field Spectral Properties of Coupled Plasmonic Systems2017

    • 著者名/発表者名
      Kosei Ueno, Quan Sun, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      9th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ammonia photosynthesis using plasmon photoanode2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa, Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP8)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectrally and Spatially Resolving the Near Field of Coupled Plasmonic Nanostructures by PEEM2017

    • 著者名/発表者名
      Quan Sun, Han Yu, Kosei Ueno, Atsushi Kubo, Yasutaka Matsuo and Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP8)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmon-induced photocurrent generation using coupling between localized surface plasmon resonance and cavity mode2017

    • 著者名/発表者名
      Xu Shi, Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Keiji Sasaki, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP8)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmon-induced photocurrent generation using strong coupling between localized surface plasmon and cavity modes2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 28th International Conference on Photochemistry (ICP 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantitative evaluation of plasmon-induced ammonia photoelectrochemical synthesis2017

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 28th International Conference on Photochemistry (ICP 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectral properties and dynamics of localized surface plasmon resonances in metal/insulator/metal nanostructures2017

    • 著者名/発表者名
      Kosei Ueno, Jinghuan Yang, Han Yu, Quan Sun, Tomoya Oshikiri, Atsushi Kubo, Yasutaka Matsuo, Qi-Huang Gong, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 28th International Conference on Photochemistry (ICP 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmon-induced photoenergy conversion systems2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 2nd Symposium of Advanced Lectures on Fundamentals for Solar Energy Conversion: Theory and Experiment
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 局在表面プラズモンとその光エネルギー変換への展開2017

    • 著者名/発表者名
      三澤 弘明
    • 学会等名
      NEDO 平成29年度エネルギー・環境新技術先導プログラム「極微小液滴が形成する反応場を用いたナノ材料の構造・機能制御技術の研究開発」全体会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmon-induced photoenergy conversions2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 7th International Conference on Nanoscience & Technology, China (ChinaNANO 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spectral and Temporal Evolution of Near Field on Coupled Plasmonic Nanostructures by Photoemission Electron Microscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 6th Asian Spectroscopy Conference (ASC2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 金ナノ粒子を担持した3 次元プラズモン光アノードの構造・光エネルギー変換特性評価2017

    • 著者名/発表者名
      高倉稜平、押切友也、近藤敏彰、 上野貢生, 益田秀樹、三澤弘明
    • 学会等名
      2017年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Spectral modulations of molecular vibrational modes by infrared localized surface plasmon resonance2017

    • 著者名/発表者名
      Kosei Ueno, Jie Li, Tomoya Oshikiri, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      2017年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Near-field spectral properties and ultrafast dynamics of coupling modes between localized surface plasmon and surface plasmon polariton Bloch wave2017

    • 著者名/発表者名
      Jinghuan Yang, Quan Sun, Han Yu, Kosei Ueno, Qihuang Gong, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      2017年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 局在プラズモンとマイクロキャビティとのカップリングを用いた高光吸収プラズモン太陽電池の構築2017

    • 著者名/発表者名
      中村圭佑, 押切友也, 石 旭, 上野貢生, 三澤弘明
    • 学会等名
      2017年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] アキラル構造における近接場キラリティーの観測2017

    • 著者名/発表者名
      山田拓樹, 押切友也, 孫 泉, 上野貢生, 三澤弘明
    • 学会等名
      2017年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Reaction mechanism on plasmon-induced ammonia synthesis2017

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      2017年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 光電子顕微鏡を用いた空間分解近接場スペクトル・位相緩和測定によるプラズモンカップリングの解明2017

    • 著者名/発表者名
      三澤 弘明
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 局在プラズモンの結合状態の解明とそのエネルギー変換への応用2017

    • 著者名/発表者名
      三澤 弘明
    • 学会等名
      理研シンポジウム 第5回「光量子工学」
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Photoelectric Conversion using Gold Nanoparticles Loaded TiO2 Photoelectrode with 3D Photonic Crystal Structure2017

    • 著者名/発表者名
      Asuka Maruyama, Ryohei Takakura, Xu Shi, Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium "極"
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High light-absorbing plasmonic solar cells using localized surface plasmon and cavity of bilayer thin film2017

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Nakamura, Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium "極"
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmon-induced photoelectric conversion using photoanode of TiO2 nanotubes loaded with gold nanoparticles2017

    • 著者名/発表者名
      Ryohei Takakura, Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Toshiaki Kondo, Hideki Masuda, Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium "極"
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spectral and Temporal Evolution of Near Field on Coupled Plasmonic Nanostructures by Photoemission Electron Microscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Misawa
    • 学会等名
      Optics & Photonics Taiwan, the International Conference (OPTIC 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] Handbook of Solid State Chemistry, Vol. 22017

    • 著者名/発表者名
      Kosei Ueno, Hiroaki Misawa, et.al.
    • 出版者
      Wiley-VCH
    • ISBN
      9783527325870
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [図書] Springer Handbook of Nanotechnology, Fourth Edition2017

    • 著者名/発表者名
      Shinji Matsui, Hiroaki Misawa, Quan Sun, et.al.
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783662543559
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      http://misawa.es.hokudai.ac.jp

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書 2017 実績報告書
  • [産業財産権] 電気測定型表面プラズモン共鳴センサ及びそれに用いる電気測定型表面プラズモン共鳴センサチップ2017

    • 発明者名
      鈴木博紀、林弘毅、上野貢生、三澤弘明 他2名
    • 権利者名
      イムラジャパン株式会社、国立大学法人北海道大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2017-155187
    • 出願年月日
      2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [産業財産権] 光吸収デバイスおよびその製造方法ならびに光電極2017

    • 発明者名
      三澤弘明、石旭、上野貢生、押切友也、孫泉、笹木敬司
    • 権利者名
      国立大学法人北海道大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2017-248071
    • 出願年月日
      2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2022-05-13  

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