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2017 年度 実績報告書

プラズモン誘起電荷分離現象の解明と新たな応用展開

研究課題

研究課題/領域番号 16H02082
研究機関東京大学

研究代表者

立間 徹  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90242247)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2021-03-31
キーワードプラズモン共鳴 / ナノ材料 / 光電変換 / 光触媒 / 光機能材料
研究実績の概要

我々が提唱したプラズモン誘起電荷分離(PICS)現象は、全世界で広く研究されているが、その結果、機構などについて多くの混乱が生じ、それがPICSの学術的な理解と実用的応用を難しくしている。本研究ではこの状況を打開するため、その機構を解明し、PICSに相応しい応用を明らかにする。
29年度は、銀ナノ粒子と酸化チタンを組み合わせた系のPICSにより引き起こされる銀の酸化反応が、正孔が銀イオンとして排出される反応であることを明らかにした。また、その反応を利用して、基板から垂直にナノ粒子を成長させる手法を開発した。PICSの機構に関しては、ナノ粒子から酸化チタンへの電子注入プロセスについても、異なる波長で2つの共鳴モードを示す金ナノロッドを利用して研究を行った。粒子間カップリングを利用した、電場強度がPICSの内部量子収率に与える影響についても研究を行っている。
PICSによる水から水素への還元反応に関しては、n型半導体/金ナノ粒子/p型半導体という構造の光アノードを用いることで、効率を改善できることを明らかにした。酸素の生成についても、ある程度測定することが可能となった。また、全固体PICSデバイスの開発も進め、局在型プラズモンだけでなく伝搬型プラズモンや光伝搬も関与するセルを開発した結果、全固体PICSデバイスとしては最も高いエネルギー変換効率を得ることができた。
さらに、化合物ナノ粒子のプラズモン共鳴を利用した近赤外PICSについても研究し、酸化モリブデンのナノ構造を利用することで、近赤外PICSが起きたと考えられる系について初めて報告した。
また、当該研究に関連して、半透明なペロブスカイト太陽電池を開発し、人間の視覚感度が低い赤色光領域での効率を、ナノ粒子のプラズモンアンテナ効果によって増強した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画通り、反応機構に関する知見が深まりつつある。PICSの酸化過程に関しては、主に想定していたのとは異なる、正孔が局所的に反応するという機構も見出され、それをナノ加工に応用できることを示せた。その他の機構解明についても順調に進みつつある。PICSによる水の分解については、まだバイアス電圧の印加が必要な状況だが、n型半導体とp型半導体を組み合わせた光アノードにより効率を高める方法を示すことができた。化合物ナノ粒子を利用したPICSについても、その可能性が高いと考えられる現象を観測しており、さらなる研究へと展開しつつある。これらを総合的に考えて、十分順調に進行しているといえる。

今後の研究の推進方策

機構面では、新たに見出した、PICSにおける正孔による局所反応について、銀の酸化による銀イオンの排出という過程以外にどのような反応が起こり得るか、調べる予定である。とくに、PICSの系としてより広く一般的に用いられ、安定性も高い金ナノ粒子と酸化チタンを組み合わせた系において、ナノ粒子自体の反応以外に、どのような反応が起こるのかを調べる必要がある。また、多電子反応が起こるのかについても明らかにする必要がある。そして、反応が観測された場合には、その応用についても考案し、検討することを予定している。
ナノ粒子から半導体への電子注入過程についても、さらなる知見が得られるように研究を進める。
PICSによる水の還元および酸化反応については、バイアス電圧を下げるための工夫を行う予定である。
全固体PICSデバイスについては、これまで、シリカ粒子アレイを内部に使用する、やや複雑な構造を持っていたので、これをより単純化し、作製しやすくする一方で、効率を維持、もしくは向上することを目指す。
化合物ナノ粒子によるPICSについては、これまでは分析が難しいナノ構造を利用したものであったため、より単純化された構造を持ち、分析も容易な、コロイド合成したナノ粒子を使う系について取り組むことを予定している。また、より波長の長い光を利用できるようにしていく予定である。

  • 研究成果

    (48件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 10件、 招待講演 6件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Effects of Particle Size and Annealing on Plasmon-Induced Charge Separation at Self-Assembled Gold Nanoparticle Arrays2018

    • 著者名/発表者名
      K.-C. Kao, H. Nishi, and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 20 ページ: 3735-3740

    • DOI

      10.1039/C7CP07786F

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Plasmonic Behaviour and Plasmon-Induced Charge Separation of Nanostructured MoO3-x under Near Infrared Irradiation2018

    • 著者名/発表者名
      S. H. Lee, H. Nishi, and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 10 ページ: 2841-2847

    • DOI

      10.1039/C7NR09477A

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanistic Analysis of Plasmon-Induced Charge Separation by the Use of Chemically Synthesized Gold Nanorods2018

    • 著者名/発表者名
      H. Nishi and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 122 ページ: 2330-2335

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b11528

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two-Dimensional Arrays of Au Halfshells with Different Sizes for Plasmon-Induced Charge Separation2017

    • 著者名/発表者名
      L. Wu, N. Tsunenari, H. Nishi, K. Sugawa, J. Otsuki, and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      ChemistrySelect

      巻: 2 ページ: 3744-3749

    • DOI

      10.1002/slct.201700797

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photocurrent Enhancement of Perovskite Solar Cells at the Absorption Edge by Electrode-Coupled Plasmons of Silver Nanocubes2017

    • 著者名/発表者名
      G. M. Kim and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 121 ページ: 11693-11699

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b02799

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ステンドグラスから光デバイスへ -プラズモン誘起電荷分離とその応用2017

    • 著者名/発表者名
      立間 徹
    • 雑誌名

      化学

      巻: 72 ページ: 62-63

  • [雑誌論文] Plasmonic Photovoltaic Cells with Dual-Functional Gold, Silver, and Copper Halfshell Arrays2017

    • 著者名/発表者名
      L. Wu, G. M. Kim, H. Nishi, and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 33 ページ: 8976-8981

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.7b02072

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Semi-transparent Perovskite Solar Cells Developed by Considering Human Luminosity Function2017

    • 著者名/発表者名
      G. M. Kim and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Sci. Rep.

      巻: 7 ページ: 10699

    • DOI

      10.1038/s41598-017-11193-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Tunable Plasmon Resonance of Molybdenum Oxide Nanoparticles Synthesized in Non-aqueous Media2017

    • 著者名/発表者名
      S. H. Lee, H. Nishi, and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Chem. Commun

      巻: 53 ページ: 12680-12683

    • DOI

      DOI: 10.1039/C7CC08090E

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogen Evolution from Water Based on Plasmon-Induced Charge Separation at a TiO2/Au/NiO/Pt System2017

    • 著者名/発表者名
      K.-C. Kao, Y. Kuroiwa, H. Nishi, and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 19 ページ: 31429-31435

    • DOI

      10.1039/C7CP06527B

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photoassisted Bottom-Up Construction of Plasmonic Nanocity2017

    • 著者名/発表者名
      K. Saito and T. Tatsuma
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 9 ページ: 18624-18628

    • DOI

      10.1039/C7NR07082A

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 局在表面プラズモン共鳴を利用した光機能材料と光デバイス2017

    • 著者名/発表者名
      立間 徹
    • 雑誌名

      光アライアンス

      巻: 28 ページ: 40-43

  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離によるナノ構造作製2018

    • 著者名/発表者名
      立間徹、西弘泰、齋藤滉一郎
    • 学会等名
      第15回プラズモニクスシンポジウム
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離の電気化学的制御とその応用2018

    • 著者名/発表者名
      秋吉 一孝、立間 徹
    • 学会等名
      電気化学会第85回大会
  • [学会発表] 金ナノキューブによるプラズモン誘起電荷分離とそのプラズモンモード依存性2018

    • 著者名/発表者名
      西 弘泰、立間 徹
    • 学会等名
      電気化学会第85回大会
  • [学会発表] 円偏光によるキラルなプラズモニックナノ構造体の作製2018

    • 著者名/発表者名
      齋藤 滉一郎 , 立間 徹
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 正孔輸送層を用いた全固体PICS光電変換セルの開発2018

    • 著者名/発表者名
      戸江 紫乃 , 齋藤 滉一郎 , キム ギュミン , 立間 徹
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Mechanistic Insights into Plasmon-Induced Charge Separation Based on Au Nanorods and Nanocubes2018

    • 著者名/発表者名
      NISHI, Hiroyasu, SAKAMOTO, Masumi and TATSUMA, Tetsu
    • 学会等名
      日本化学会第98春季年会
  • [学会発表] 基板上における金属ナノタワーの垂直成長とプラズモン共鳴特性2018

    • 著者名/発表者名
      小野塚 頌人・斎藤 滉一郎・立間 徹
    • 学会等名
      日本化学会第98春季年会
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離とその応用2017

    • 著者名/発表者名
      立間 徹
    • 学会等名
      光電子融合研究センター公開シンポジウム
  • [学会発表] Hydrogen Evolution from Water by Plasmon-Induced Charge Separation2017

    • 著者名/発表者名
      Kun-Che Kao, Yoshinori Kuroiwa, Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      光電子融合研究センター公開シンポジウム
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離による銀ナノ粒子の部位選択的酸化2017

    • 著者名/発表者名
      齋藤滉一郎, 立間徹
    • 学会等名
      光電子融合研究センター公開シンポジウム
  • [学会発表] Synthesis of Plasmonic Compound Nanomaterials for Infrared Applications2017

    • 著者名/発表者名
      Seunghyk Lee, Huanran Liu, Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      光電子融合研究センター公開シンポジウム
  • [学会発表] Synthesis and infrared applications of plasmonic compound nanoparticles2017

    • 著者名/発表者名
      Lee Seunghyuk・西弘泰・立間徹
    • 学会等名
      2017年度光化学討論会
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離の量子収率に対する金‐酸化チタン界面電場の影響2017

    • 著者名/発表者名
      石田拓也・立間徹
    • 学会等名
      2017年度光化学討論会
  • [学会発表] 化学合成金ナノロッドによるプラズモン誘起電荷分離とその反応サイト解析2017

    • 著者名/発表者名
      西弘泰・立間徹
    • 学会等名
      2017年度光化学討論会
  • [学会発表] Plasmon-Induced Charge Separation Assisted by Metal Oxide/Hydroxide toward Visible Light Water Splitting2017

    • 著者名/発表者名
      Kao Kun-Che・西弘泰・立間 徹
    • 学会等名
      2017年度光化学討論会
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離の量子収率に対する粒子のサイズと密度の影響2017

    • 著者名/発表者名
      石田 拓也, 立間 徹
    • 学会等名
      第87回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Enhancement of Visual Transparency and Photocurrents in Semi-Transparent Perovskite Solar Cells by Electrode-Coupled Plasmons2017

    • 著者名/発表者名
      Gyu Min Kim, Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      第87回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 光照射下における銀ナノ直方体の垂直成長およびプラズモン共鳴特性2017

    • 著者名/発表者名
      齋藤 滉一郎, 立間 徹
    • 学会等名
      第87回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Visible-Light-Driven Multi-Electron Oxidation and Hydrogen Evolution through Plasmon-Induced Charge Separation2017

    • 著者名/発表者名
      Kao Kun-Che,黒岩 善徳,西 弘泰,立間 徹
    • 学会等名
      2017年電気化学秋季大会
  • [学会発表] 金属ナノ粒子-半導体構造を持つ固体PICS光電変換デバイスの開発2017

    • 著者名/発表者名
      戸江紫乃・キムギュミン・齋藤滉一郎・立間 徹
    • 学会等名
      第7回CSJ化学フェスタ2017
  • [学会発表] 局在表面プラズモン共鳴特性の電気化学的制御とその応用2017

    • 著者名/発表者名
      秋吉一孝・西 弘泰・立間 徹
    • 学会等名
      第7回CSJ化学フェスタ2017
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離を利用した光カソードの開発2017

    • 著者名/発表者名
      三宅晃史・Kao Kun-Che・立間 徹
    • 学会等名
      第7回CSJ化学フェスタ2017
  • [学会発表] 基板上に担持した金属ナノ粒子の異方的成長2017

    • 著者名/発表者名
      小野塚頌人・斎藤滉一郎・立間 徹
    • 学会等名
      第7回CSJ化学フェスタ2017
  • [学会発表] 金属ナノ粒子とその光機能2017

    • 著者名/発表者名
      立間徹
    • 学会等名
      第29回油化学講演会
  • [学会発表] プラズモン誘起電荷分離の量子収率に対する電場分布の影響2017

    • 著者名/発表者名
      石田拓也、立間徹
    • 学会等名
      第36回固体・表面光化学討論会
  • [学会発表] Plasmon-Induced Charge Separation and Electric Field Localization2017

    • 著者名/発表者名
      T. Tatsuma, K. Saito, T. Ishida, and H. Nishi 
    • 学会等名
      231st ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Photocatalysis Based on Plasmon-Induced Charge Separation2017

    • 著者名/発表者名
      Tetsu Tatsuma, Kun-Che Kao, Ling Wu, Yoshinori Kuroiwa and Hiroyasu Nishi
    • 学会等名
      231st ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Chromogenic materials based on localized surface plasmon resonance2017

    • 著者名/発表者名
      Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      The 3rd International Workshop on Chromogenic Materials and Devices
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Photoelectrochemical Hydrogen Evolution Based on Plasmon-Induced Charge Separation2017

    • 著者名/発表者名
      T. Tatsuma, K. C. Kao, L. Wu, Y. Kuroiwa and H. Nishi
    • 学会等名
      232nd ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nanostructured Plasmonic Surfaces and Applications2017

    • 著者名/発表者名
      T. Tatsuma
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Insights into Mechanisms of Plasmon-Induced Charge Separation for Au-TiO2 Systems2017

    • 著者名/発表者名
      H. Nishi, M. Sakamoto and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmonic photovoltaic cells based on two-dimensional gold, silver, and copper halfshell arrays2017

    • 著者名/発表者名
      Ling Wu, Gyu Min Kim, Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmon-induced charge separation assisted by metal oxide/hydroxide for visible light multi-electron oxidation2017

    • 著者名/発表者名
      Kun-Che Kao, Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of LSPR sensors based on plasmon-induced charge separation2017

    • 著者名/発表者名
      Kazutaka Akiyoshi and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Photochemical reactions of plasmonic copper sulfide nanoparticles under Near-Unfrared irradiation2017

    • 著者名/発表者名
      Huanran Liu, Hiroyasu Nishi and Tetsu Tatsuma
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
    • 国際学会
  • [備考] 立間研究室ホームページ

    • URL

      http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/~tatsuma/

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公開日: 2018-12-17  

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