ヘテロ接合型人工微細構造による赤外エネルギーハーベスタ

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06364
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 長尾 忠昭 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究者 (40267456)
• 研究分担者: 北島 正弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (00343830) ; 武田 淳 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202165) ; 石井 智 国立研究開発法人物質・材料研究機構, その他部局等, 研究員 (80704725)
• 研究期間 (年度): 2016-05-31 – 2021-03-31
• キーワード: ナノ光材料 / 電子 / 光 / エネルギー / 表界面

研究実績の概要

本研究では、金属半導体接合型の光学ナノアンテナ、ポラリトン共振器などをベ―ストし、主に近赤外帯域以上の波長をもつ光や、熱ふく射を高効率に吸収・捕集し、これらの電磁波のエネルギーを他のエネルギーへと変換するための材料科学的方法論を開拓する。特にＴＨｚから赤外帯域において、優れた応答特性を持つ金属・金属性化合物と半導体とを組み合わせ、赤外プラズモンポラリトンと内部光電子励起、あるいは、アンテナ形状の異方性による光電流の異方性を利用した創エネルギー材料・デバイスの創成を目指す。本年度は2年度目であり、昨年度は既存装置を当プロジェクト用に整備し、成膜合成装置を設置し、立ち上げを行った。解析技術の強化も引き続き進め、電磁場解析を定常的に行えるように整備し、第一原理計算による光学定数計算と電磁場解析とを併せた解析法にも着手し、材料開発における計算機支援を開始した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は2年目であり、成膜を中心とした材料合成のための実験環境の整備に引き続き注力した。大震災以降止まっていた共用施設のパルスレーザ堆積装置が立ち上がり、定常的に稼働し、昨年度導入したスパッタ成膜装置、電子ビーム蒸着装置も稼働し始め、高品質膜の成膜がグループ内で可能となった。近赤外帯域で光吸収性能の高いプラズモン材料の探索を開始した。これらのプラズモン材料と接合する狭ギャップ半導体の成膜、合成を開始した。例えば、含Ｂｉ合金のナノ薄膜やナノ粒子、ナノロッド構造の合成に着手し、中赤外帯域のアンテナ共鳴効果の可能性について研究を開始した。中赤外帯域のバンドギャップを持つ、GaSbの合成を選択し、蒸着源の準備を進めた。材料開発環境の整備は順調に進んでいるが、本年度開始を予定した、ナノ構造製作技術、表界面の高精度な制御とエネルギー変換現象の研究については、年度後半の着手であり、若干予定より遅れている。

今後の研究の推進方策

昨年度に続いて、今年度前半は装置整備と実験スペースの確保を進め、本年度後半からグループ内で使用する材料の合成がほぼ可能となった。既に経験のある金属、金属窒化物、Ｂｉ合金などの光吸収材料を利用し、ヘテロ接合と光起電力発生について研究を開始した。今後は金属ホウ化物などの新たな近赤外帯域で光吸収性能の高いプラズモン材料の探索を進める。また、これらの材料と狭ギャップ半導体とを組み合わせ、よく規定された界面を実現しながら、その発電効果の有無を評価してゆき、そのメカニズムを調べて行く。たとえば、中赤外帯域のバンドギャップを持つ狭ギャップ半導体（GaSbなど）の合成を実際に行い、可能性のある材料を金属ナノアンテナと組み合わせ、発電効果を調べる。また、導電性酸化物によるアンテナとそれらの間の微小トンネル接合接合をベースとしたレクテナデバイスを目指し、その界面接合技術の準備を開始する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Light-promoted conversion of greenhouse gases over plasmonic metal-carbide nanocomposite catalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Oruganti Anjaneyulu, Kazu Takeda, Satoshi Ishii, Shigenori Ueda,, Tadaaki Nagao, Peng Xiaobo, Takeshi Fujita, Masahiro Miyauchi, and Hideki Abe
  • 雑誌名: Mater. Chem. Front 巻: 2 ページ: 580-584
  • DOI: 10.1039/C7QM00569E
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Solar Light Absorption and Photoelectrochemical Conversion Using TiN Nanoparticle-Incorporated C3N4-C Dot Sheets (2018)
  • 著者名/発表者名: Satish Laxman Shinde, Satoshi Ishii, Thang Duy Dao, Ramu Pasupathi Sugavaneshwar, Toshiaki Takei, Karuna Kar Nanda, and Tadaaki Nagao
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 10 ページ: 2460-2468
  • DOI: 10.1021/acsami.7b15066
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] “Fabrication of Highly Metallic TiN Films by Pulsed Laser Deposition Method for Plasmonic Applications” (2018)
  • 著者名/発表者名: R. P. Sugavaneshwar, S. Ishii, T. D. Dao, A. Ohi, T. Nabatame, T Nagao
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 5 ページ: 814-819
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00942
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Protein-Functionalized Indium-Tin Oxide Nanoantenna Arrays for Selective Infrared Biosensing (2017)
  • 著者名/発表者名: Chen Kai、Guo Peijun、Dao Thang Duy、Li Shi-Qiang、Ishiii Satoshi、Nagao Tadaaki、Chang Robert P. H.
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 5 ページ: 1700091～1700091
  • DOI: 10.1002/adom.201700091
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Far-field and near-field monitoring of hybridized optical modes from Au nanoprisms suspended on a graphene/Si nanopillar array (2017)
  • 著者名/発表者名: Li-Wei Nien, Kai Chen, Thang Duy Dao, Satoshi Ishii, Chun-Hway Hsueh and Tadaaki Nagao, "
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 9 ページ: 16950-16959
  • DOI: 10.1039/C7NR05988D
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Light assisted CO2 reduction with methane over SiO2 encapsulated Ni nanocatalysts for boosted activity and stability (2017)
  • 著者名/発表者名: Huimin Liu, Xianguang Meng, Thang Duy Dao, Lequan Liu,bd Peng Li, Guixia Zhao, Tadaaki Nagao, Liuqing Yang and Jinhua Ye
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 5 ページ: 10567-10573
  • DOI: 10.1039/c7ta00704c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 窒化チタンを用いた 光励起ホットキャリヤエンジニアリン (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井智、長尾忠昭
  • 雑誌名: 応用物理 86 巻: 86 ページ: 300-304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] All-Ceramic Microfibrous Solar Steam Generator: TiN Plasmonic Nanoparticle-Loaded Transparent Microfibers (2017)
  • 著者名/発表者名: Manpreet Kaur, Satoshi Ishii, Satish Laxman Shinde, and Tadaaki Nagao,
  • 雑誌名: ACS Sustainable Chem. Eng. 巻: 5 ページ: 8523-8528
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b02089
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Narrowband Wavelength Selective Thermal Emitters by Confined Tamm Plasmon Polaritons (2017)
  • 著者名/発表者名: Zih-Ying Yang, Satoshi Ishii, Takahiro Yokoyama, Thang Duy Dao, Mao-Guo Sun, Pavel S. Pankin, Ivan V. Timofeev , Tadaaki Nagao, and Kuo-Ping Chen
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 4 ページ: 2212-2219
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] White Light Emission from Black Germanium (2017)
  • 著者名/発表者名: Satish Laxman Shinde, Thang Duy Dao, Satoshi Ishii, Li-Wei Nien, Karuna Kar Nanda, and Tadaaki Nagao
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 4 ページ: 1722-1729
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00214
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Wavelength-selective spin-current generator using infrared plasmonic metamaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishii Satoshi、Uchida Ken-ichi、Dao Thang Duy、Wada Yoshiki、Saitoh Eiji、Nagao Tadaaki
  • 雑誌名: APL Photonics 巻: 2 ページ: 106103～106103
  • DOI: 10.1063/1.4991438
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visible light photocurrent enhancement in STO thin films through metal-defect co-doping effect combined with Au plasmons (2017)
  • 著者名/発表者名: R. P. Sugavaneshwar, Gandham Laxminarayana, T. D. Dao, K. Chen, S. Ishii, T. Nagao
  • 雑誌名: Materials Express 巻: 7 ページ: 66-71
  • DOI: 10.1166/mex.2017.1344
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Large-Area Perfect Absorbers for Infrared Spectroscopic Devices (2018)
  • 著者名/発表者名: DAODuy Thang, CHENKai, ISHII Satoshi, YOKOYAMA Takahiro, SAWADA Tomomi, RAMU PASUPATHISugavaneshwar, SHINDESatish Laxman, DOANTung Anh/DOAN Tung Anh, WADA Yoshiki, NABATAME Toshihide,Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: MANA International Symposium 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Surface-enhenced infrared plasmonic sensing for bio and enviromental sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: IUMRS-ICA 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Applications of Oxides, Nitrides, and Metal Plasmons for Energy Conversion (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasmonic NanoArchitectonics for Energy Conversion (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: NanoMat2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Infrared plasmonic structures and their functionalization for surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: 2017 Taiwan-Japan Bilateral Materials Science Conference &
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Applications of Oxides and Nitrides Nanostructures for Photothermal/Photoelectric Energy Conversion (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: 2017 TIMS-CENIDE Joint Symposium on Nanoscience and Nanotechnology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metamaterials for Spectroscopic Infared Emitters and Sensors (2017)
  • 著者名/発表者名: NAGAO, Tadaaki, ISHII, Satoshi, CHEN, Kai, DAO, Duy Thang, RAMU PASUPATHI, Sugavaneshwar, SHINDE, Satish Laxman, MANPREET, Kaur, DOAN, Tung Anh
  • 学会等名: META 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasmonic NanoArchitectonics for Energy Conversion (2017)
  • 著者名/発表者名: NAGAO, Tadaaki, ISHII, Satoshi, CHEN, Kai, DAO, Duy Thang, RAMU PASUPATHI, Sugavaneshwar, SHINDE, Satish Laxman, MANPREET, Kaur, DOAN, Tung Anh
  • 学会等名: 国立台湾大学材料科学工学専攻セミナー
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nanowire-plasmonic photocatalysts and thermal emitters (2017)
  • 著者名/発表者名: DAO, Duy Thang, NAGAO, Tadaaki, CHEN, Kai, ISHII, Satoshi, HAN, Gui
  • 学会等名: Nano-Micro Conference 201
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optical Nanoantennas for Plasmon-enhanced Infrared Spectroscopy / Optical Nanoantennas for Plasmon-enhanced Infrared Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: CHEN, Kai, DAO, Duy Thang, ISHII, Satoshi, NAGAO, Tadaaki
  • 学会等名: Optics and Photonics Symposium in Nankai University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generation of spin current using mid-IR metamaterial absorbers (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ishii
  • 学会等名: 第8回電磁メタマテリアル講演会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 窒化チタンナノ構造による光捕集とその応 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井智
  • 学会等名: ナノオプティクス研究グループ第24回研究討論会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光学メタマテリアルの基礎とハイパボリックメタマテリアルの光学特性、応用技術 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井智
  • 学会等名: 情報機構セミナー
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoelectric and photothermal conversions with titanium nitride nanostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: ISHII, Satoshi, SHINDE, Satish Laxman, RAMU PASUPATHI, Sugavaneshwar, NAGAO, Tadaaki
  • 学会等名: ISSS-8
  • 国際学会
• [学会発表] All-ceramic 3D and 2D water purifiers: Reusable high performance solar distiller based on Plasmonic titanium nitride (TiN (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kaur, S. Ishii, S. Shinde, T. Nagao
  • 学会等名: ISSS-8
  • 国際学会
• [学会発表] Spectrally selective tri-layer planar perfect absorbers with wide incident angle and polarization insensitivity in the near infrared regim (2017)
  • 著者名/発表者名: DAODuy Thang, CHENKai, ISHII Satoshi, YOKOYAMA Takahiro, SAWADA Tomomi, RAMU PASUPATHISugavaneshwar, SHINDESatish Laxman, DOANTung Anh/DOAN Tung Anh, WADA Yoshiki, NABATAME Toshihide,Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: ISSS-8
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Dots Mediated Enhanced Visible-light Emission from Black Germanium (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Shinde, S. Ishii, T. Nagao
  • 学会等名: ISSS-8
  • 国際学会
• [学会発表] All-ceramic 3D and 2D water purifiers: Reusable high-performance solar distiller based on Plasmonic titanium nitride nanoparticles (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kaur, S. Ishii, S. Shinde, T. Nagao
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced visible-light emission from Quantum dots sensitized GeO2/Ge perfect absorptive hetero-nano pyramids (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kaur, S. Ishii, S. Shinde, T. Nagao
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Lithography-free, tri-layer planar films for wide-incident-angle, polarization-independent near-infrared spectrally selective perfect absorbers (2017)
  • 著者名/発表者名: DAODuy Thang, CHENKai, ISHII Satoshi, YOKOYAMA Takahiro, SAWADA Tomomi, RAMU PASUPATHISugavaneshwar, SHINDESatish Laxman, DOANTung Anh/DOAN Tung Anh, WADA Yoshiki, NABATAME Toshihide,Tadaaki NAGAO
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Selective thermal emission by Tamm plasmon structures (2017)
  • 著者名/発表者名: YANG, Zih-Ying, ISHII, Satoshi, YOKOYAMA, Takahiro, DAO, Duy Thang, Mao-Guo Sun, NAGAO, Tadaaki, Kuo-Ping Chen
  • 学会等名: SPP 8
  • 国際学会
• [学会発表] Oxide surface functionalization for infrared plasmonic sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Chen, TD. Dao, S, Ishii, T. Nagao
  • 学会等名: JSAP Autumn meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Plasmonic Nanoantennas for Ultrasensitive Surface-enhanced Infrared Spectrocopy (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Chen, TD. Dao, S, Ishii, T. Nagao
  • 学会等名: ISSS-8
  • 国際学会
• [学会発表] Plasmonic absorbers for energy conversion devices (2017)
  • 著者名/発表者名: TD. Dao, K. Chen, S, Ishii, T. Nagao
  • 学会等名: CASEAN-5
  • 国際学会
• [学会発表] Large-Area, Wide-Angle, Wavelength-Selective Thermal Emitters (2017)
  • 著者名/発表者名: TD. Dao, K. Chen, S, Ishii, T. Nagao
  • 学会等名: ISSS-8
  • 国際学会
• [学会発表] Al nanoantennas for plasmon-enhanced infrared spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: CHEN, Kai, DAO, Duy Thang, ISHII, Satoshi, NAGAO, Tadaaki
  • 学会等名: SPP 8
  • 国際学会
• [学会発表] Spectrally-Selective Infrared Detectors using Hole Array Perfect Absorbers (2017)
  • 著者名/発表者名: DAO, Duy Thang, ISHII, Satoshi, YOKOYAMA, Takahiro, SAWADA, Tomomi, RAMU PASUPATHI, Sugavaneshwar, CHEN, Kai, WADA, Yoshiki, NABATAME, Toshihide, NAGAO, Tadaaki
  • 学会等名: SPP 8
  • 国際学会
• [備考] 物質・材料研究機構 研究者データベース SAMURAI
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/NAGAO_Tadaaki?locale=en
• [備考] 物質・材料研究機構 北海道大学 連携大学院ＨＰ
  • URL: http://www.nims.go.jp/hokudai/physics/lab_index.html
• [備考] THOMSON REUTERS, RESEARCHER ID
  • URL: http://www.researcherid.com/ProfileView.action?returnCode=ROUTER.Unauthorized&Init=Yes&SrcApp=CR&queryString=KG0UuZjN5Wn3gwA6mL71liA802NPAUvpN8o2rXTrumA%253D
• [備考] 物質・材料研究機構 組織紹介ページ
  • URL: http://www.nims.go.jp/research/group/photonics-nano-engineering/
• [産業財産権] 組成物、その製造方法、樹脂成形体、および、その用途 (2018)
  • 発明者名: 長尾忠昭、ナンダ カルナカル
  • 権利者名: 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2018/007737
  • 外国
• [産業財産権] 組成物、その製造方法、樹脂成形体、および、その用途 (2017)
  • 発明者名: 長尾忠昭、ナンダ カルナカル
  • 権利者名: 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2017-044861
• [産業財産権] 組成物、その製造方法、および、その用途 (2017)
  • 発明者名: 長尾忠昭、ナンダ カルナカル
  • 権利者名: 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2017-213413
• [産業財産権] プラズモン特性を有する窒化チタン膜及びその製造方法 (2017)
  • 発明者名: 長尾忠昭、ラム パスパティ スガワネシュワ－、石井智
  • 権利者名: 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2017-216426