制御されたナノ空間を利用した光圧による物質捕捉と光化学反応場の構築

• 研究領域: 光圧によるナノ物質操作と秩序の創生
• 研究課題/領域番号: 17H05459
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 上野 貢生 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (00431346)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2018年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2017年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
• キーワード: 光圧 / プラズモン / ダークモード / 近接場スペクトル / 光反応場 / 光ピンセット / 光物性 / ナノ材料

研究実績の概要

ナノ物質を高効率にトラップするためには光を強く閉じ込めるナノ構造体の設計が重要である。本研究では、結合系プラズモニックナノ構造による高効率な光トラッピングと光反応場の構築を行った。金属／誘電体／金属の積層ナノ構造が、四重極子共鳴により高い光電場増強を示すことから、A03班の笹木グループと連携して蛍光ビーズを用いたプラズモンオプティカルトラッピング系を構築し、遠方場でのスペクトルでは観測されないダークな四重極共鳴モードによるオプティカルトラッピング特性を明らかにした。プラズモンオプティカルトラッピングの作用スペクトルを測定したところ、Fanoディップ波長より若干短波長域において直径100 nmの蛍光ビーズが強くトラップされることがわかり、当初の研究目標であるダークプラズモンによる高効率なオプティカルトラッピングの実証に成功した。また、金／誘電体／金ナノ構造の上下の構造のサイズ比により近接場結合の度合いを制御することでプラズモンの寿命を3倍長寿命化することに成功し、高効率な光反応場を構築した。また、金属ナノ構造／誘電体／金フィルム構造の構造設計により、種々の結合系プラズモニックナノ構造の創製に成功した。初めに、A03班の笹木グループと共同で、金ナノ微粒子／酸化チタン／金フィルム構造が、金ナノ微粒子の局在プラズモンと酸化チタン／金フィルム基板に誘起されるファブリ・ペローナノ共振器モードとのモード強結合を示すことや光化学反応を促進することを明らかにした。また、同様の金属ナノ構造／誘電体／金フィルム構造により金フィルム上の表面プラズモンと金ナノ構造の局在プラズモンがモード強結合を示すことを明らかにした。さらに、モード強結合系においてもプラズモンと結合する光学モードの寿命により、プラズモンの寿命を自在に制御することが可能であることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

平成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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Rice University(米国)
• [国際共同研究] Peking University/Harbin Institute of Technology/Nankai University(中国)
• [国際共同研究] National Chiao Tung University/Academia Sinica(台湾)
• [国際共同研究] National Chiao Tung University/Academia Sinica/National Taiwan University(台湾)
• [国際共同研究] Peking University(中国)
• [国際共同研究] Konstanz University(ドイツ)
• [雑誌論文] Exotic Mode Suppression in Plasmonic Heterotrimer System (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Song, Q. Sun, J. Li, F. Yang, J. Yang, Y. Li, K. Ueno, Q. Gong, and H. Misawa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 123 号: 2 ページ: 1398-1405
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b10263
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Control of plasmon dephasing time using stacked nanogap gold structures forstrong near-field enhancement (2019)
  • 著者名/発表者名: Kosei Ueno, Jinghuan Yang, Quan Sun, Daisuke Aoyo, Han Yu, Tomoya Oshikiri, Atsushi Kubo, Yasutaka Matsuo, Qihuang Gong, Hiroaki Misawa
  • 雑誌名: Applied Materials Toaday 巻: 14 ページ: 159-165
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2018.12.004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of Nanostructure-Controlled Strong Coupling of Porphyrin Molecules and Silver Nanoparticles Using Layered Silicates (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Eguchi, J. Li, K. Ueno, H. Misawa
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 48 号: 3 ページ: 211-214
  • DOI: 10.1246/cl.180925
  • NAID: 130007607546
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bacterial concentration detection using a PCB-based contactless conductivity sensor (2019)
  • 著者名/発表者名: X.-Y. Zhang, Z.-Y. Li, Y. Zhang, X.-Q. Zang, K. Ueno, H. Misawa, K. Sun
  • 雑誌名: Micromachines 巻: 10 号: 1 ページ: 55-55
  • DOI: 10.3390/mi10010055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Twisted Surface Plasmons with Spin-Controlled Gold Surfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsai Wei-Yi、Sun Quan、Hu Guangwei、Wu Pin Chieh、Lin Ren Jie、Qiu Cheng-Wei、Ueno Kosei、Misawa Hiroaki、Tsai Din Ping
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 7 号: 8
  • DOI: 10.1002/adom.201801060
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Plasmon-assisted polarity switching of a photoelectric conversion device by UV and visible light irradiation (2018)
  • 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
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced water splitting under modal strong coupling conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: X. Shi, K. Ueno, T. Oshikiri, Q. Sun, K. Sasaki, H. Misawa
  • 雑誌名: Nature Nanotechnol. 巻: 13 号: 10 ページ: 953-958
  • DOI: 10.1038/s41565-018-0208-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical characterization of gold nanoblock dimers: from capacitive coupling to charge transfer Plasmons and rod modes (2018)
  • 著者名/発表者名: M.-N. Su, Q. Sun, K. Ueno, W.-S. Chang, H. Misawa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 122 号: 31 ページ: 18005-18011
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b05755
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrabroad and angle tunable THz filter based on multiplexed metallic bar resonators (2018)
  • 著者名/発表者名: W. Liu, Z. Dai, J. Yang, Q. Sun, C. Gong, N. Zhang, K. Ueno, H. Misawa
  • 雑誌名: IEEE Photon. Technol. Lett. 巻: 30 号: 24 ページ: 2103-2106
  • DOI: 10.1109/lpt.2018.2877964
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Manipulation of the dephasing time by strong coupling between localized and propagating surface plasmon modes (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Yang, Q. Sun, K. Ueno, X. Shi, T. Oshikiri, H. Misawa, Q. Gong
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 9 号: 1 ページ: 4858-4858
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07356-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 局在表面プラズモン共鳴を用いた人工光合成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 押切友也、上野貢生、三澤弘明
  • 雑誌名: 触媒 巻: 60 ページ: 140-145
• [雑誌論文] 局在型および伝播型表面プラズモン共鳴励起に基づくホットエレクトロンの放出制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 上野貢生
  • 雑誌名: 光学 巻: 47 ページ: 239-239
• [雑誌論文] Solid-state plasmonic solar cells (2018)
  • 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
  • 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 modes (2017)
  • 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
  • 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 cells (2017)
  • 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
  • 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 photoelectrode (2017)
  • 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
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interplay of hot electrons from localized and propagating plasmons (2017)
  • 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
  • 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 layers (2017)
  • 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
  • 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: 月刊機能材料 巻: 37 ページ: 40-49
• [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 号: 12 ページ: 408-413
  • DOI: 10.4011/shikizai.90.408
  • NAID: 130006301986
  • ISSN: 0010-180X, 1883-2199
• [学会発表] 金属／誘電体／金属ナノ構造の近接場分光特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野貢生、Yang Jinghuan、巽 亮太、孫 泉、押切友也、三澤弘明
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 局在プラズモン－ナノ共振器強結合場における蛍光分子の発光特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大西 梓、Zu Shuai、石 旭、孫 泉、押切友也、上野貢生、三澤弘明
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Plasmon-induced photocurrent generation for exploring the near-field of strongly coupled plasmonic systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Guo Jingchun、Shi Xu、Oshikiri Tomoya、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: 233rd ECS meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectral properties of plasmonic strong coupling systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Sun Quan、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: The international Symposium On Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Near-field spectral properties of nano-engineered metallic nanoparticles (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Sun Quan、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: OSA Advanced Photonics Congress 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Near-field spectral properties of metal/insulator/metal nanostructures showing quadrupole plasmon mode (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Yang Jinghuan、Tatsumi Ryota、Sun Quan、Oshikiri Tomoya、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Near-field spectral properties of the coupled plasmonic systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Sun Quan、Shi Xu、Oshikiri Tomoya、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: Asia Pacific Society for Materials Research (APSMR2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectral properties of dye molecules in infrared plasmon-cavity strong coupling systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Shi Xu、Sun Quan、Oshikiri Tomoya、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: 2018年光化学討論会
• [学会発表] プラズモン－ナノ共振器強結合による広帯域光吸収体の構築と光エネルギー変換系への展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 上野貢生、石 旭、孫 泉、押切友也、笹木敬司、三澤弘明
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Construction of visible responsive broadband absorber utilizing strong coupling between plasmon and nanocavity modes and its application to light energy conversions (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Shi Xu、Sun Quan、Oshikiri Tomoya、Sasaki Keiji、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: The 79th JSAP Autumn Meeting, JSAP-OSA Joint Symposia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fluorescence properties of organic dye in infrared plasmon-cavity strong coupling (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueno Kosei、Shi Xu、Sun Quan、Oshikiri Tomoya、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: 10th Asian Photochemistry Conference (APC2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modal strong coupling for versatile surface-enhanced Raman scattering chips (2018)
  • 著者名/発表者名: Zang Xiaoqian、Shi Xu、Oshikiri Tomoya、Ueno Kosei、Misawa Hiroaki
  • 学会等名: 10th Asian Photochemistry Conference (APC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamics of electron transfer in gold nanoparticles/titanium dioxide system by transient absorption spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Li, K. Ueno, Q. Sun, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [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)
• [学会発表] Fabrication of high-absorption plasmonic photoanode with microhole array (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oshikiri, K. Ueno, H. Misawa
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [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)
• [学会発表] Strong coupling between Fabry-Perot nanocavity and localized surface plasmon resonance and its application for efficient water splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: X. Shi, K. Ueno, T. Oshikiri, Q. Sun, K. Sasaki, H. Misawa
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [学会発表] Spectral properties of the strong coupling between microcavity and molecular vibrational modes (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [学会発表] Plasmonic nanoparticles and the coherent interaction with dye molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Eguchi, K. Ueno, H. Misawa
  • 学会等名: 日本化学会 第98春季年会 (2018)
• [学会発表] Near-field spectral properties of coupled plasmonic systems (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, Q. Sun, H. Misawa
  • 学会等名: Progress In Electromagnetics Research Symposium 2017 (PIERS 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Near-field spectroscopy of the coupled plasmonic systems using multiphoton photoemission electron microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, Q. Sun, H. Misawa
  • 学会等名: 9th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プラズモニックナノ構造の作製と近接場分光特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上野 貢生
  • 学会等名: 名古屋大学 応用物質化学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] プラズモン放射圧による高分子ゲルの体積相転移 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上野 貢生
  • 学会等名: 分子研研究会「共鳴条件下における光と分子の力学的相互作用 -分子操作への展開-」
  • 招待講演
• [学会発表] Quantitative evaluation of plasmon-induced ammonia photoelectrochemical synthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oshikiri, K. Ueno, H. Misawa
  • 学会等名: International Conference on Photochemistry 2017 (ICP2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Spectral properties and dynamics of localized surface plasmon resonances in metal/insulator/metal nanostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, J. Yang, H. Yu, Q. Sun, T. Oshikiri, A. Kubo, Y. Matsuo, Q.-H. Gong, H. Misawa
  • 学会等名: International Conference on Photochemistry 2017 (ICP2017)
  • 国際学会
• [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
• [学会発表] Spectral modulations of molecular vibrational modes by infrared localized surface plasmon resonance (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, J. Li, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: 2017年光化学討論会
• [学会発表] Near-field spectral properties and ultrafast dynamics (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Yang, Q. Sun, H. Yu, K. Ueno, Q. Gong, H. Misawa
  • 学会等名: 2017年光化学討論会
• [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
• [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
• [学会発表] Reaction mechanism on plasmon-induced ammonia synthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oshikiri, K. Ueno, H. Misawa
  • 学会等名: 2017年光化学討論会
• [学会発表] プラズモニックナノ構造の近接場分光特性と光化学研究への展開 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上野 貢生
  • 学会等名: 東工大化学系セミナー
  • 招待講演
• [図書] プラズモンの化学 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野貢生、三澤弘明
  • 総ページ数: 122
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320044708
• [図書] プラズモンと光圧が導くナノ物質科学 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野貢生、押切友也
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 9784759813920
• [図書] Handbook of Solid State Chemistry, Vol. 2 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, H. Misawa
  • 出版者: Wiley-VCH Verlag GmbH
  • ISBN: 9783527325870
• [備考] http://www.kueno.com/
• [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 (2018)
  • 発明者名: 鈴木博紀、Allison Giles、三澤弘明、上野貢生他
  • 権利者名: イムラジャパン（株）・北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018
  • 外国
• [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
• [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