非金属に生成したホットキャリアによる光触媒反応の実証

• 研究課題/領域番号: 23K23250
• 補助金の研究課題番号: 22H01982 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分30020:光工学および光量子科学関連
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 宮地 悟代 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30378905)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2024年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2022年度: 12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円)
• キーワード: フェムト秒レーザー / 光触媒 / シリコン / 表面プラズモン / ホットキャリア

研究開始時の研究の概要

新しい化学反応の経路を見出し、新物質を創製することは、学術的に意義があるだけでなく、持続可能な社会発展には欠かすことができない。これまで金属表面に光によって励起される自由電子の集団振動（表面プラズモン・ポラリトン。以下SPPとよぶ）を起源とするホットエレクトロンを介して光触媒反応が生じることが見いだされ、活発に研究が行われている。申請者らは近年、フェムト秒レーザーによって半導体であるSiにSPPを励起できることを世界で初めて実験で明らかにした。本研究では、金属ではない物質が、フェムト秒レーザーによって励起されたSPPを介し、表面付近に存在する対象物質と化学反応が生じることを初めて実証する。

研究成果の概要

フェムト秒レーザーによって励起された表面プラズモン・ポラリトンを介し、表面付近に存在する対象物質と化学反応が生じることを初めて実証することを目的とし、実験手法の構築とターゲットの作製を行った。ターゲット表面にフェムト秒レーザーパルスを照射することにより、物質固有の線形および非線形光吸収によって、光から電子へとエネルギーを移動させてキャリアを励起するよう光学系を設置した。Si製の回折格子上に光触媒反応を誘起するための物質を塗布したターゲットを作製した。このターゲットにfsレーザーパルスを入射角を変えて照射すると、特徴的な分散曲線が得られたとともに、塗布した物質の変化を観測することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

新しい化学反応の経路を見出し、新物質を創製することは、学術的に意義があるだけでなく、持続可能な社会発展には欠かすことができない。これまで金属表面に光によって励起される自由電子の集団振動（表面プラズモン・ポラリトン, SPP）を起源とするホットエレクトロンまたはホットキャリアを介して化学反応が生じることが見いだされ、光触媒反応を中心として活発に研究が行われてきた。本研究では、金属ではない物質が、フェムト秒レーザーによって励起されたSPPを介し、表面付近に存在する対象物質と化学反応が生じることを初めて実証できる成果を得た。

研究成果

• [国際共同研究] IFNANO/0/0(ドイツ)
• [雑誌論文] Stable fabrication of femtosecond-laser-induced periodic nanostructures on glass using real-time monitoring and active feedback control (2025)
  • 著者名/発表者名: Miyaji Godai、Nagai Daisuke、Miyoshi Takemichi、Takada Hideyuki、Yoshitomi Dai、Narazaki Aiko
  • 雑誌名: Light: Advanced Manufacturing 巻: 6 号: 2 ページ: 219-219
  • DOI: 10.37188/lam.2025.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation of Homogeneous Nanostructure via Interference of Square Flattop Femtosecond Laser Pulses (2025)
  • 著者名/発表者名: Sumimoto Takemasa、Miyaji Godai
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 15 号: 5 ページ: 355-355
  • DOI: 10.3390/nano15050355
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] フェムト秒レーザー誘起表面ナノ周期構造の形成メカニズムと応用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 宮地悟代
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 93 号: 2 ページ: 105-108
  • DOI: 10.11470/oubutsu.93.2_105
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • 年月日: 2024-02-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ICT data-driven active laser processing (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, D. Yoshitomi, H. Takada, D. Nagai, and G. Miyaji
  • 雑誌名: Photonics Review 巻: 2024 号: 0 ページ: n/a
  • DOI: 10.11470/photo.240212
  • ISSN: 2758-0059
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasmonic near fields excited with femtosecond laser pulses and surface nanoprocessing (2024)
  • 著者名/発表者名: G. Miyaji
  • 雑誌名: Photonics Review 巻: 2024 号: 0 ページ: n/a
  • DOI: 10.11470/photo.240203
  • ISSN: 2758-0059
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Fine periodic nanostructure formation on stainless steel and gallium arsenide with few-cycle laser pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Ishihara and G. Miyaji
  • 雑誌名: Front. Nanotechnol. 巻: 5
  • DOI: 10.3389/fnano.2023.1249648
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of plasmonic coupling on Si metallized with intense femtosecond laser pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Tateda, Y. Iida, and G.Miyaji
  • 雑誌名: Sci. Reports 巻: 13 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-023-45968-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] フェムト秒レーザーで非金属に誘起した表面プラズモンとその応用 (2025)
  • 著者名/発表者名: 宮地悟代
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第45回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] ビーム整形および2光束干渉を用いたフェムト秒レーザー誘起表面周期構造の均一化 (2025)
  • 著者名/発表者名: 住本武優, 宮地悟代
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第45回年次大会
• [学会発表] ガラス裏面へのフェムト秒レーザー誘起ナノ周期構造形成 (2025)
  • 著者名/発表者名: 三善武碩，高田英行，吉富大，奈良崎愛子，宮地悟代
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第45回年次大会
• [学会発表] データ駆動型レーザー加工の進展と光源技術への期待 (2025)
  • 著者名/発表者名: 奈良崎愛子, 三善武碩, 長井大輔, 高田英行, 吉富大, 宮地悟代
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第45回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] データ駆動型レーザー微細加工をめざして ～ 深層学習形状予測とリアルタイムモニタリング (2025)
  • 著者名/発表者名: 吉富 大，高田 英行，長井 大輔，三善 武碩，小川 博嗣，佐藤 大輔，田中 真人，黒田 隆之助，小林 洋平，宮地 悟代，奈良崎 愛子
  • 学会等名: 応用物理学会微小光学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 数サイクルフェムト秒レーザーパルスを用いたダイヤモンドNV中心の形成過程 (2025)
  • 著者名/発表者名: 石出一真, 奈良崎愛子, 宮地悟代
  • 学会等名: 第24回（2024年度）レーザー学会東京支部研究会
• [学会発表] フェムト秒レーザ誘起周期構造の形成メカニズムと応用 (2025)
  • 著者名/発表者名: 宮地悟代
  • 学会等名: 令和7年電気学会全国大会
  • 招待講演
• [学会発表] Homogeneous periodic surface nanostructures formed by interference of square flattop femtosecond laser pulses (2025)
  • 著者名/発表者名: T. Sumimoto and G. Miyaji
  • 学会等名: LAMOM in SPIE. Photonics West 2025
  • 国際学会
• [学会発表] Data-driven laser processing: What does the fusion of laser processing and data science bring? (2025)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, T. Miyoshi, D. Nagai, H. Takada, D. Yoshitomi, R. Kuroda, M. Tanaka, H. Ogawa, D. Sato, N. Nakamura, J. Nishimae, K. Furuta, T. Otsu, T. Nakazato, Y. Kobayashi, K. Takiguchi, Y. Yamahara, K. Asami, H. Jinno, M. Yumoto, K. Tashiro, D. Serien, K. Yamamoto, H. Kanda, T. N Murakami, Godai Miyaji
  • 学会等名: Hot Topic in LASE Symposium of SPIE. Photonics West 2025
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェムト秒レーザー励起表面プラズモンを利用した微細加工技術の基礎 (2024)
  • 著者名/発表者名: 宮地悟代
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] フェムト秒レーザーによってガラス表面に形成した周期ナノ構造による透過光強度上昇 (2024)
  • 著者名/発表者名: 三善武碩, 高田英行, 吉富大, 奈良崎愛子, 宮地悟代
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [学会発表] ガラス表面に形成したフェムト秒レーザー誘起ナノ周期構造による透過光強度上昇 (2024)
  • 著者名/発表者名: 三善武碩, 高田英行, 吉富大, 奈良崎愛子, 宮地悟代
  • 学会等名: レーザ加工学会 第100回記念講演会
• [学会発表] 均一なナノ周期構造の形成に向けたフェムト秒レーザーのトップハットビームへの整形と2光束干渉 (2024)
  • 著者名/発表者名: 住本武優, 宮地悟代
  • 学会等名: 電気学会 光・量子デバイス研究会
• [学会発表] フェムト秒レーザーのアクティブ制御によるガラス表面への安定したナノ周期構造形成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 三善武碩，高田英行，吉富大，奈良崎愛子，宮地悟代
  • 学会等名: 日本光学会年次大会（OPJ2024）
• [学会発表] Stable formation of femtosecond laser-induced periodic nanostructures on glass by using active feedback (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Miyoshi, H. Takada, A. Narazaki, and G. Miyaji
  • 学会等名: Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM) XXIX in SPIE. Photonics West 2024
  • 国際学会
• [学会発表] Data-driven ultrashort pulse laser processing using deep neural network for shape prediction and in-process monitoring (2024)
  • 著者名/発表者名: D. Yoshitomi, H. Takada, T. Miyoshi, D. Nagai, G. Miyaji, and A. Narazaki
  • 学会等名: Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific and Industrial Applications in LASE, SPIE. Photonics West 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stable LIPSS Formation on Transparent Materials by Data-Driven Ultrashort Pulse Laser Processing (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, T. Miyoshi, H. Takada, D. Yoshitomi, and G. Miyaji
  • 学会等名: Lasers and Photonics for Advanced Manufacturing in SPIE. Photonics Europe 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation of fs-LIPSS on sapphire suitable for anti-reflection property (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Minemura and G. Miyaji
  • 学会等名: The 5th Smart Laser Processing Conference (SLPC2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Stable LIPSS formation on transparent materials by data-driven ultrashort pulse laser processing based on optical in-process monitoring (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, D. Nagai, T. Miyoshi, H. Takada, D. Yoshitomi, and G. Miyaji
  • 学会等名: The 5th Smart Laser Processing Conference (SLPC2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Fine-periodic nanostructure formation on solids with few-cycle femtosecond laser pulses (2024)
  • 著者名/発表者名: G. Miyaji, Y. Iida, S. Nikaido, and A. Ishihara
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Data-driven Ultrashort Pulse Laser Processing of Glass Materials toward Stable and High-throughput Manufacturing (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, T. Miyoshi, H. Takada, D. Yoshitomi, and G. Miyaji
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Data-driven ultrashort pulse laser processing toward next-generation of precision microfabrication (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, D. Yoshitomi, H. Takada, R. Kuroda, M. Tanaka, H. Ogawa, D. Sato, D. Nagai, T. Miyoshi, N. Nakamura, J. Nishimae, K. Furuta, T. Otsu, T. Nakazato, Y. Kobayashi, K. Takiguchi, Y. Yamahara, K. Asami, and G. Miyaji
  • 学会等名: The 25th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2024)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Data-driven ultrashort pulse laser processing and its application to glass materials (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Narazaki, D. Yoshitomi, H. Takada, R. Kuroda, M. Tanaka, H. Ogawa, D. Sato, D. Nagai, T. Miyoshi, N. Nakamura, J. Nishimae, K. Furuta, T. Otsu, T. Nakazato, Y. Kobayashi, K. Takiguchi, Y. Yamahara, K. Asami, and G. Miyaji
  • 学会等名: PLI Conferences 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface nanostructuring by short-range propagating surface plasmon excited with few-cycle femtosecond laser pulses (2024)
  • 著者名/発表者名: G. Miyaji and A. Ishihara
  • 学会等名: COLA2024
  • 国際学会
• [学会発表] Direct surface nanopatterning with few-cycle femtosecond laser pulses (2024)
  • 著者名/発表者名: G.Miyaji
  • 学会等名: The 4th International Workshop on Frontiers in Lasers and Applications (FLA-4)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 宮地研究室ホームページ
  • URL: https://miyalab.themedia.jp/