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イオンの自由度を制御する金属ナノ構造複合系の創出

公募研究

研究領域蓄電固体デバイスの創成に向けた界面イオンダイナミクスの科学
研究課題/領域番号 20H05281
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

福島 知宏  北海道大学, 理学研究院, 助教 (50801560)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワード局在表面プラズモン共鳴 / プロトン伝導 / 振動強結合 / 薄膜物性 / 光イオン伝導 / プラズモン / 金属ナノ構造 / 共振器 / プラズモン共鳴 / ナノ構造 / イオン伝導 / 複合体
研究開始時の研究の概要

電極ー電解質界面でのイオンの挙動の理解は蓄電固体材料の機能開発において重要である。特に固体電解質に代表されるイオン伝導性固体は多くの研究がなされてきたが、イオンの有する自由度(活量、拡散係数、活性化機構など)の精密な制御は非常に難しい。本研究課題では、プラズモン活性な金属ナノ構造界面での電子の電気化学ポテンシャルとイオンの電気化学ポテンシャルの制御に基づき、イオンの自由度の制御を達成する。イオンの電気化学ポテンシャルとプラズモン場の効果(熱効果、光電場強度、光学変調)、さらに吸着分子の効果を系統的に整理することで、基礎原理を実験的に体系化する。

研究実績の概要

蓄電固体界面デバイスの発展に向けて、光の有する自由度を導入し、界面イオニクスの自由度の制御を目的として研究を行っている。特に局在表面プラズモン共鳴を利用した金属ナノ構造ー電解質界面におけるイオン伝導度の光制御および共振場におけるプロトン伝導の精密制御を行った。
従来の光照射におけるイオン伝導制御においては高エネルギー高強度の光照射が必要不可欠であった。局在表面プラズモン共鳴においては、光に対する高応答性が利用可能であり、光照射に伴い、局在光の電場形成に伴った、反応電子および正孔の生成と熱緩和過程が知られている。金属ナノ構造を配列させた構造上にNafion薄膜を作成した際には薄膜条件が数十ナノメートルの領域において、光照射に応じたイオン伝導度の低下が観測された。波長依存性に関してはLED光源を利用して検討したところ、消光計測で確認されたプラズモン共鳴に従って、イオン伝導度の低下が観測された。このことはイオン伝導度とプラズモン共鳴の間に相関があることを示唆している。
さらには光照射を必要としない真空場との相互作用を利用したイオン伝導変調も行った。分子の振動エネルギーと真空場の光学モードが一致する際にはポラリトン状態と呼ばれる物質ー真空場の混成状態が生じ、物性革新が生じることが知られている。実際に振動エネルギーと結合可能な共振器を作成し、振動強結合状態としたところ、イオン伝導度が増大することが確認された。
上記にあるように場の光学モードとイオン伝導体を相互作用させることにより、イオニクス物性が制御可能となることが示された。本研究で得られた成果をもとに、蓄電固体界面でのイオニクス物性の革新を目指す。

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Unique Electronic Excitations at Highly Localized Plasmonic Field2022

    • 著者名/発表者名
      Minamimoto Hiro、Zhou Ruifeng、Fukushima Tomohiro、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Accounts of Chemical Research

      巻: 55 号: 6 ページ: 809-818

    • DOI

      10.1021/acs.accounts.1c00593

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical Study on Proton Permeation Ability of Modified Single-layer Graphene2021

    • 著者名/発表者名
      Fukushima Tomohiro、Hasebe Hidetaka、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 号: 9 ページ: 1604-1606

    • DOI

      10.1246/cl.210285

    • NAID

      130008088181

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
    • 年月日
      2021-09-05
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vibrational Coupling of Water from Weak to Ultrastrong Coupling Regime via Cavity Mode Tuning2021

    • 著者名/発表者名
      Fukushima Tomohiro、Yoshimitsu Soushi、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 号: 46 ページ: 25832-25840

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c07686

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Visualization of molecular trapping at plasmonic metal nanostructure by surface-enhanced Raman scattering imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Fukushima Tomohiro、Miyauchi Akira、Oyamada Nobuaki、Minamimoto Hiro、Motegi Toshinori、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Journal of Nanophotonics

      巻: 14 号: 02 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1117/1.jnp.14.026001

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 振動強結合状態における電解質水溶液のイオン伝導特性変調2022

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、吉光創之、村越敬
    • 学会等名
      ナノ学会第20回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 構造電極による酸素発生触媒特性変調2022

    • 著者名/発表者名
      芦澤大輝、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会 (2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 光共振器による電解質水溶液のイオン伝導性制御2022

    • 著者名/発表者名
      吉光創之、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会 (2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 振動強結合状態下における水和イオンの構造とイオン伝導挙動の特異性2022

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、吉光創之、村越敬
    • 学会等名
      2022年 電気化学会第89回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 金属ナノ粒子/光酸複合体の調製と光学特性評価2022

    • 著者名/発表者名
      米山伸二、芦澤大輝、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      化学系学協会北海道支部2022年冬季研究発表会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 構造電極による酸素発生触媒特性変調2022

    • 著者名/発表者名
      芦澤大輝、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      ナノ学会第20回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Light-controlled proton conductivity by using metal nanostructure2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Motohiro Sai, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Modification of Graphene Surface for the Controlled Proton Permeation2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Takaha Komai, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Vibrational strong coupling of water in various hydration environment2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Soushi Yoshimitsu, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      International Conferences on Photochemistry 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Visualization of plasmonic molecular trapping sites through surface-enhanced Raman scattering2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Akira Miyauchi, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      International Conferences on Photochemistry 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 振動強結合下の水の分光特性評価とイオン伝導度への影響2021

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、吉光創之、村越敬
    • 学会等名
      2021年度日本分光学会年次講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 電解質水溶液の振動強結合によるイオン伝導度の向上2021

    • 著者名/発表者名
      吉光創之、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] プラズモン誘起水素発生触媒過程の核磁気共鳴観測2021

    • 著者名/発表者名
      芦澤大輝、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 振動強結合状態の水の電気化学特性評価2021

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、吉光創之、村越敬
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 共振器マイクロ流路での電解質水溶液の電気化学特性評価2021

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、吉光創之、村越敬
    • 学会等名
      2021年電気化学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] プラズモニックナノ構造によるプロトン伝導能の光制御2021

    • 著者名/発表者名
      崔元碩、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Confinement of Hydrogen Nanobubble between Graphene and Au Surface by Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Takaha Komai, Ruifeng Zhou, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      第61回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 核磁気共鳴分光法による水素発生光触媒過程の解析2021

    • 著者名/発表者名
      芦澤大輝、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      第36 回ライラックセミナー・第26 回若手研究者交流会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 振動強結合による電解質水溶液のイオン伝導度向上2021

    • 著者名/発表者名
      吉光創之、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      第36 回ライラックセミナー・第26 回若手研究者交流会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 核磁気共鳴分光法による水素発生同位体選択制の評価2021

    • 著者名/発表者名
      芦澤大輝、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      ナノ学会第19回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] カーボン電極特性の分子制御2021

    • 著者名/発表者名
      福島知宏
    • 学会等名
      第10回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会若手研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nafion/金属ナノ構造におけるイオン伝導度の光変調2021

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、崔元碩、村越敬
    • 学会等名
      2021年 電気化学会第88回大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光共振器による水分子の振動強結合制御2021

    • 著者名/発表者名
      吉光創之、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 分子修飾グラフェン/Au界面でのプロトン移動の同位体効果2021

    • 著者名/発表者名
      駒井貴羽、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Auナノ構造界面における光応答性プロトン伝導の観測2021

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、崔元碩、村越敬
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光共振器中における水分子の振動構造制御2021

    • 著者名/発表者名
      吉光創之、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      化学系学協会北海道支部2021年冬季研究発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Modification of Graphene on Metal Substrate: Electrochemical Defect Insertion for Controlled Proton Permeation2020

    • 著者名/発表者名
      Takaha Komai, Tomohiro Fukushima, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン 総合シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Modification of Graphene on Metal Substrate: Electrochemical Defect Insertion and Evaluation of Surface Defects2020

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Takaha Komai, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン 総合シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] グラフェンのプロトン透過能制御と変調因子の理論的解明2020

    • 著者名/発表者名
      長谷部秀尭、福島知宏、駒井貴羽、村越敬
    • 学会等名
      分子科学オンライン討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 局在表面プラズモンによるイオン伝導能制御2020

    • 著者名/発表者名
      崔元碩、福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      分子科学オンライン討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Raman Spectroscopic Investigation of Proton Penetration Properties of Graphene/Au under Electrochemical Potential Control2020

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Takaha Komai, Hidetaka Hasebe, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      第81回応用物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 金属ナノ構造界面における固体電解質の構造異常2020

    • 著者名/発表者名
      福島知宏、村越敬
    • 学会等名
      ナノ学会 第18回大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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