ケージ状ナノクラスター複合薄膜の創製とその熱電変換特性の解明

• 研究課題/領域番号: 17H06226
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: ナノマイクロ科学およびその関連分野
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 中嶋 敦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30217715)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円); 2019年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2018年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2017年度: 13,910千円 (直接経費: 10,700千円、間接経費: 3,210千円)
• キーワード: ナノクラスター / 超原子 / 薄膜 / マグネトロンスパッタリング / 表面光電子分光 / 顕微光電子分光 / 金属内包シリコン / 熱電変換特性 / 複合薄膜 / 熱電変換 / 光電子顕微鏡技術

研究成果の概要

本研究では、金属内包シリコン１６原子のケージ状ナノクラスターM＠Si16をマグネトロンスパッタリング法によって気相合成し、その蒸着によってナノクラスター薄膜を創製し、２光子光電子分光と顕微光電子分光とを組み合わせてその電子の振る舞いを観測した。主な成果として(1)有機表面上における3-5族金属原子内包M@Si16超原子の化学特性、(2)Lu@Si16とTa@Si16のヘテロ積層膜の作製と界面相互作用の解明、(3)2P-PEEMによる有機分子膜界面の電子ダイナミクスのイメージング、の成果を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果はM@Si16ナノクラスター超原子を機能物質の構成要素として利用、制御する上で、基板との電荷の授受の観点を踏まえて有機基板を最適化することの重要性を示すものであり、M@Si16超原子を用いた新たな表面修飾ならびにナノ物質科学への道筋を拓くものである。また、異なる中心金属原子のナノクラスター超原子を組み合わせた光電変換機能の設計に関する基礎的理解を与えるとともに、p-n接合を利用した太陽電池や熱電変換素子への展開の有効性を示唆している。

研究成果

• [国際共同研究] Kaiserslautern大学(ドイツ)
• [雑誌論文] Visualization of Surface Plasmons Propagating at the Buried Organic/Metal Interface with Silver Nanocluster Sensitizers (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamagiwa Kana、Shibuta Masahiro、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 14 号: 2 ページ: 2044-2052
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b08653
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Highly Dispersive Nearly Free Electron Bands at a 2D-Assembled C60 Monolayer (2019)
  • 著者名/発表者名: Shibuta Masahiro、Yamamoto Kazuo、Guo Hongli、Zhao Jin、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 号: 1 ページ: 734-741
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b10006
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vibrational Spectra of Thiolate-Protected Gold Nanocluster with Infrared Reflection Absorption Spectroscopy: Size- and Temperature-Dependent Ordering Behavior of Organic Monolayer (2019)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Takaho、Hirata Naoyuki、Tsunoyama Hironori、Eguchi Toyoaki、Negishi Yuichi、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 号: 1 ページ: 363-371
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b07550
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and Characterization of Metal-Encapsulating Si16 Cage Superatoms (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsunoyama Hironori、Shibuta Masahiro、Nakaya Masato、Eguchi Toyoaki、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: Accounts of Chemical Research 巻: 印刷中 号: 8 ページ: 1735-1745
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00085
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxidative reactivity of alkali-like superatoms of group 5 metal-encapsulating Si16 cage nanoclusters (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibuta Masahiro、Kamoshida Toshiaki、Ohta Tsutomu、Tsunoyama Hironori、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 1 号: 1 ページ: 50-50
  • DOI: 10.1038/s42004-018-0052-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation of Highly Ordered Semiconducting Anthracene Monolayer Rigidly Connected to Insulating Alkanethiolate Thin Film (2018)
  • 著者名/発表者名: Eguchi Toyoaki、Hirata Naoyuki、Shibuta Masahiro、Tsunoyama Hironori、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 号: 45 ページ: 26080-26087
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08907
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nitric oxide oxidation of a Ta encapsulating Si cage nanocluster superatom (Ta@Si16) deposited on an organic substrate; a Si cage collapse indicator (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibuta Masahiro、Niikura Toshiki、Kamoshida Toshiaki、Tsunoyama Hironori、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 号: 41 ページ: 26273-26279
  • DOI: 10.1039/c8cp05580g
  • 査読あり
• [雑誌論文] The stability of binary Al12X nanoclusters (X=Sc and Ti): superatom or Wade’s polyhedron (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsunoyama Hironori、Akutsu Minoru、Koyasu Kiichirou、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 30 号: 49 ページ: 494004-494004
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aaebde
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoexcited Electron Transfer Properties at C60 Film on Graphite and on Au(111) Interfaces Studied by Two-Photon Photoemission Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibuta Masahiro, Yamamoto Kazuo, Yamagiwa Kana , Eguchi Toyoaki, and Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 46 号: 10 ページ: 1528-1531
  • DOI: 10.1246/cl.170641
  • NAID: 130006140014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energy Level Alignment of Organic Molecules with Chemically Modified Alkanethiolate Self-Assembled Monolayers (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibuta Masahiro、Ogura Munehisa、Eguchi Toyoaki、Nakajima Atsushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 121 号: 49 ページ: 27399-27405
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b07955
  • 査読あり
• [学会発表] Silver Nanocluster Sensitizers to Visualize Surface Plasmons Propagating at the Buried Organic-Metal Interface (2020)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 学会等名: Symposium on Size Selected Clusters (S3C)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 遷移金属内包シリコンケージクラスター薄膜の電気伝導特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横山高穂，千葉竜弥，平田直之，角山寛規，渋田昌弘，中嶋 敦
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 6族金属内包シリコンケージ超原子の表面担持状態における化学特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横山高穂，千葉竜弥，平田直之，角山寛規，渋田昌弘，中嶋 敦
  • 学会等名: 日本化学会 第100 春季年会
• [学会発表] 遷移金属内包シリコンケージナノクラスター薄膜の作製と電気伝導機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 千葉竜弥, 横山高穂, 平田直之, 渋田昌弘, 角山寛規, 中嶋 敦
  • 学会等名: 日本化学会 第100 春季年会
• [学会発表] Visualization of surface plasmon polaritons propagating at dielectric/metal interfaces by 2P-PEEM (2019)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Shibuta, Kana Yamagiwa, and Atsushi Nakajima
  • 学会等名: 11th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Charge State Dependence of Oxidative Reactivity for Aluminum Superatoms Deposited on Organic Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, M. Shibuta, H. Tsunoyama, and A. Nakajima
  • 学会等名: 第35回化学反応討論会
• [学会発表] Nucleation and growth of small atom clusters into superatom for functional units (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 学会等名: Nucleation & Growth Research Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study on the chemical stabilities for nanocluster superatoms deposited on organic substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, T. Kamoshida, M. Shibuta, H. Tsunoyama, and A. Nakajima
  • 学会等名: Gordon Research Conference: Clusters and Nanostructures
  • 国際学会
• [学会発表] Creating Assemblies of Size Selected Clusters on Surfaces by Cluster Beam Deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 学会等名: Gordon Research Conference “Clusters & Nanostructures”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication and Characterization of Metal Encapsulating Si16 Cage Superatom (M@Si16) (2019)
  • 著者名/発表者名: 新倉 寿希、鴨志田 寿明、渋田 昌弘、角山 寛規、中嶋 敦
  • 学会等名: 第13回 表面・界面スペクトロスコピー 2019
• [学会発表] ６族金属内包シリコンケージ超原子の表面担持状態における化学特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 寺坂 一也、鴨志田 寿明、渋田 昌弘、角山 寛規、中嶋 敦
  • 学会等名: 第13回 表面・界面スペクトロスコピー 2019
• [学会発表] Chemical Stabilization of Aluminum Superatoms on Controlled Organic Substrates (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上 朋也、渋田 昌弘、中嶋 敦
  • 学会等名: 第13回 表面・界面スペクトロスコピー 2019
• [学会発表] 遷移金属内包シリコンケージナノクラスターの精密大量合成と磁性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高野涼太、平田直之、角山寛規、中嶋敦
  • 学会等名: ナノ学会第16回大会
• [学会発表] Chemical reaction dynamics of metal-encapsulating silicon cage nanocluster (M@Si16) film toward oxidative gases of O2 and NO (2018)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Niikura, Toshiaki Kamoshida, Masahiro Shibuta, Hironori Tsunoyama, and Atsushi Nakajima
  • 学会等名: 第34回化学反応討論会
• [学会発表] Superatom Chemistry of Metal-Encapsulating Tetrahedral Silicon-Cage (METS) Immobilized on C60 Surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 学会等名: 2018 Cluster Surface Interactions Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical Characterization of Group 3-5 Metals Encapsulating Si16 Cage Nanoclusters on Organic Surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kamoshida, Masahiro Shibuta, Tsutomu Ohta, Hironori Tsunoyama, Atsushi Nakajima
  • 学会等名: 2018 Cluster Surface Interactions Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Superatom Periodic Table of Caged Nanoclusters (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 学会等名: The 19th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フラーレン基板にソフトランディングした銀ナノクラスターによる２光子励起光電子のプラズモニック増強効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渋田昌弘，山元一生，太田努, 中嶋敦
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会
• [学会発表] 有機分子基板上における3-5族遷移金属内包シリコンケージナノクラスター超原子の化学的安定性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鴨志田 寿明, 渋田 昌弘, 太田努, 角山寛規, 中嶋 敦
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会
• [学会発表] 金属内包シリコンケージナノクラスター(M@Si16)集積薄膜の作製と化学反応特性解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 新倉 寿希、渋田 昌弘、鴨志田 寿明、角山 寛規、中嶋 敦
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2018
• [学会発表] Charge State Optimization of Group 3-5 Metals Encapsulating Si16 Cage Superatoms on Organic Surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kamoshida, Masahiro Shibuta, Tsutomu Ohta, Hironori Tsunoyama, Atsushi Nakajima
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2018
• [学会発表] クラスター表面相互作用の有機分子制御による超原子の酸化反応性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鴨志田寿明、渋田昌弘、太田努、角山寛規、中嶋敦
  • 学会等名: 日本化学会 第99春季年会
• [学会発表] 表面担持された典型元素ナノクラスター超原子の化学的安定性の評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上朋也、渋田昌弘、角山寛規、中嶋敦
  • 学会等名: 日本化学会 第99春季年会
• [学会発表] ソフトランディング法によって作成した遷移金属内包シリコンケージナノクラスター薄膜の物性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 新倉寿希、鴨志田寿明、渋田 昌弘、角山 寛規、中嶋 敦
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会
• [学会発表] C60フラーレン薄膜の電子状態と電子励起ダイナミクスの解明とその基板依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渋田昌弘、山際可奈、中嶋 敦
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会
• [学会発表] 2光子光電子放射顕微鏡を用いた有機分子薄膜/金の界面を伝搬する表面プラズモンポラリトンのイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 山際 可奈、渋田 昌弘、中嶋 敦
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] 3-5族遷移金属内包シリコンケージナノクラスター超原子の表面担持形態における化学的安定性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鴨志田寿明、渋田昌弘、太田努、角山寛規、中嶋敦
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] Superatom Chemistry of Caged Silicon and Aluminum Binary Nanoclusters (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 学会等名: International Symposium “Nanoclusters in Action”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of Surface Plasmon Polaritons Propagating at the Interfaces of Organic Monolayers / Au (111) by Two-Photon PEEM (2017)
  • 著者名/発表者名: Kana Yamagiwa, Masahiro Shibuta, and Atsushi Nakajima
  • 学会等名: The 5th Ito International Research Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Chemical Characterization of Group 3-5 Transition Metals Atom-Encapsulating Si16 Cage Superatoms on an Organic Surface (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Kamoshida, Masahiro Shibuta, Tsutomu Ohta, Hironori Tsunoyama, Atsushi Nakajima
  • 学会等名: The 5th Ito International Research Conference
  • 国際学会
• [図書] Theoretical Chemistry for Advanced Nanomaterials - Functional Analysis by Computation and Experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsugunosuke Masubuchi and Atsushi Nakajima
  • 総ページ数: 544
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 9789811500060
• [図書] Physical Chemistry of Cold Gas Phase Functional Molecules and Clusters (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakajima
  • 総ページ数: 395
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 9789811393716