ナノ構造を用いたキラル化学反応場の創製

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22K19003
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 押切 友也 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (60704567)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• キーワード: プラズモン / 超螺旋光 / ホットエレクトロン / キラリティ / 近接場

研究実績の概要

本研究では、円偏光をその近傍を閉じ込めて変調可能なプラズモンナノ構造を設計し、その近接場の性質を物質との光化学的相互作用を解明して新奇な光化学反応場を創製することを目的とする。研究期間を通して、大きく分けて下記の成果を得た。
キラリティを有する近接場の設計のためのシミュレーションプログラムの構築を行った。これをもとに、金属ナノ構造の円偏光照射下での近接場の電場、磁場、オプティカルカイラリティの空間分布およびスペクトルを計算し、近接場キラリティの構造設計を行った。
また、左右円偏光照射下での吸収差を表す円二色性は通常透過光学系が用いられるが、以下で述べる構造の計測には透過光学系を用いることができないため、反射光学系で円二色性を計測可能な計測系を構築した。
上記の計測系を基に、特に量子コヒーレンスを用いた反応場の創製に成功した点は大きな成果である。具体的には、プラズモンナノ粒子と薄膜型ファブリ・ペロー共振器との強結合を形成すると、プラズモン同士が量子コヒーレンスな状態となり、コヒーレンスエリア内での反応経路が最適化され、光化学反応の内部量子収率が向上するという、従来の常識を覆す成果が得られた。
さらに。コヒーレンス相互作用存在下ではプラズモン共鳴が同期した状態をとり、単独ではなく集団としてモード形成をすることも明らかにした。これに基づき、コヒーレンス相互作用下でアキラルなプラズモンナノ構造をキラルな配列で配置することで、近接場、遠方場におけるキラル光学応答を示すことを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Strong Light Confinement by a Plasmon-Coupled Parabolic Nanoresonator Array (2024)
  • 著者名/発表者名: Oshikiri Tomoya、Hayakawa Toshiaki、Niinomi Hiromasa、Nakagawa Masaru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 128 ページ: 5271～5279
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c07224
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distance-Dependent Energy Transfer under Modal Strong Coupling from CdSe/ZnS Quantum Dots to a Plasmonic Fabry?P?rot Cavity (2024)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Takuya、Onishi Azusa、Shi Xu、Oshikiri Tomoya、Ueno Kosei、Misawa Hiroaki、Biju Vasudevanpillai
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 128 ページ: 4208～4214
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c08503
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improving Charge Transfer under Strong Coupling Conditions via Interfacial Modulation (2024)
  • 著者名/発表者名: Cao En、Shi Xu、Oshikiri Tomoya、Liu Yen-En、Sun Quan、Sasaki Keiji、Misawa Hiroaki
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 11 ページ: 1205～1212
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.3c01733
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Volume compensating materials after vapor phase infiltration: effect of different butyl isomers of polymer side-chains on high process temperature durability (2024)
  • 著者名/発表者名: Sasao Norikatsu、Sugimura Shinobu、Asakawa Koji、Oshikiri Tomoya、Nakagawa Masaru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 ページ: 04SP14～04SP14
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad2977
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatially Uniform and Quantitative Surface-Enhanced Raman Scattering under Modal Ultrastrong Coupling Beyond Nanostructure Homogeneity Limits (2024)
  • 著者名/発表者名: Suganami Yoshiki、Oshikiri Tomoya、Mitomo Hideyuki、Sasaki Keiji、Liu Yen-En、Shi Xu、Matsuo Yasutaka、Ijiro Kuniharu、Misawa Hiroaki
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 18 ページ: 4993～5002
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c10959
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mie-Resonant Nanophotonic-Enhancement of Asymmetry in Sodium Chlorate Chiral Crystallization (2024)
  • 著者名/発表者名: Niinomi Hiromasa、Gotoh Kazuhiro、Takano Naoki、Tagawa Miho、Morita Iori、Onuma Akiko、Yoshikawa Hiroshi Y.、Kawamura Ryuzo、Oshikiri Tomoya、Nakagawa Masaru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 ページ: 1564～1571
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral Spinodal-like Ordering of Homoimmiscible Water at Interface between Water and Chiral Ice III (2024)
  • 著者名/発表者名: Niinomi Hiromasa、Yamazaki Tomoya、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kouchi Akira、Oshikiri Tomoya、Nakagawa Masaru、Kimura Yuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 ページ: 659～664
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropy in spinodal-like dynamics of unknown water at ice V water interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Niinomi Hiromasa、Yamazaki Tomoya、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kouchi Akira、Oshikiri Tomoya、Nakagawa Masaru、Kimura Yuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: 16227
  • DOI: 10.1038/s41598-023-43295-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of Enhanced Water Oxidation under Plasmon?Nanocavity Strong Coupling Using In Situ Electrochemical Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Zang Xiaoqian、Shi Xu、Suganami Yoshiki、Liu Yen-En、Oshikiri Tomoya、Misawa Hiroaki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 ページ: 15087～15095
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c03625
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum-Coherence-Enhanced Hot-Electron Injection under Modal Strong Coupling (2023)
  • 著者名/発表者名: Liu Yen-En、Shi Xu、Yokoyama Tomohiro、Inoue Soshun、Sunaba Yuji、Oshikiri Tomoya、Sun Quan、Tamura Mamoru、Ishihara Hajime、Sasaki Keiji、Misawa Hiroaki
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 ページ: 8315～8323
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c12670
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 円偏光励振Mie共鳴体メタ表面上でのキラル結晶化 (2024)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正，後藤和泰, 高野修綺, 田川美穂, 森田伊織, 大沼晶子, 吉川洋史, 川村隆三, 押切友也, 中川勝
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] シングルナノ精度を有する光硬化成形体の蛍光強度膜厚計測法(2): 光ナノインプリント成形におけるモノマーと密着剤の重合性官能基の相同相似効果 (2024)
  • 著者名/発表者名: 稲川 亮太, 大沼 晶子, 新家 寛正, 押切 友也, 中川 勝
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 窒素分子変換のための光強結合反応場の創成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 押切友也
  • 学会等名: 日本化学会第104春季年会(2024)
  • 招待講演
• [学会発表] 超臨界水熱法による酸化ニッケルナノ結晶の合成と薄膜形成法の検討 (2024)
  • 著者名/発表者名: 川瀬 智暉, 押切 友, 笘居 高明, 新家寛正, 中川勝
  • 学会等名: 日本化学会第104春季年会
• [学会発表] 氷III/水界面で水から分離する 同素不混和水の スピノーダル様キラル秩序 (2024)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • 学会等名: 令和５年度日本表面真空学会東北・北海道支部学術講演会
• [学会発表] Development of p-type semiconductor layer toward high-efficient photocathode (2023)
  • 著者名/発表者名: 押切友也, 笘居高明, 庄司 衛太
  • 学会等名: 第11回若手アンサンブルワークショップ
• [学会発表] 異方スピノーダル様脱濡れが示唆する水/氷V界面における未知の水の液晶性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • 学会等名: 第23回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [学会発表] 超臨界水熱法による酸化ニッケルナノ結晶合成に向けた有機修飾剤の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川瀬智暉, 押切友也, 笘居高明, 中川勝
  • 学会等名: 第23回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [学会発表] Photoelectrochemical properties of plasmonic photocathode using nickel oxide (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Oshikiri, Takashi Katsurahara, Noriko Kubota, Hiromasa Niinomi, Yasutaka Matsuo, Hiroaki Misawa, Masaru Nakagawa
  • 学会等名: The 12th Asian Photochemistry Conference (APC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 円偏光によりMie共鳴の励振されたSiナノディスクからの塩素酸ナトリウムキラル結晶化における結晶鏡像異性体過剰 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 後藤和泰, 高野修綺, 田川美穂, 吉川洋史, 川村隆三, 押切友也, 中川勝
  • 学会等名: 第52回日本結晶成長学会国内会議
• [学会発表] 氷V/水界面の未知の水のスピノーダル様脱濡れにおける異方性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 麻川明俊, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • 学会等名: 第52回日本結晶成長学会国内会議
• [学会発表] Mie共鳴励振シリコンナノ構造体からの塩素酸ナトリウムキラル結晶化における結晶鏡像異性体過剰 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正
  • 学会等名: 学術変革領域研究(A)「キラル光物質科学」領域会議
• [学会発表] 近接場キラリティを有する金属ナノ構造の作製と光電子顕微鏡を用いた近接場観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 押切友也, 和田 健彦, 荒木 保幸
  • 学会等名: 学術変革領域研究(A)「キラル光物質科学」領域会議
• [学会発表] 表面プラズモン共鳴・Mie共鳴のキラルな近接場でのキラル結晶化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 押切友也, 中川勝, 山崎智也, 香内晃, 木村勇気, 灘浩樹, 羽馬哲也, 麻川明俊
  • 学会等名: 物質・デバイス領域共同研究セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] olume Compensating Materials after Vapor Phase Infiltration: Effect of Different Butyl Isomers of Polymer Side-Chains on High Process Temperature Durability (2023)
  • 著者名/発表者名: Norikatsu Sasao, Shinobu Sugimura, Koji Asakawa, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa
  • 学会等名: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of nickel oxide thin films for photocathodes through wet and gas phase processes (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Oshikiri, Takashi Katsurahara, Noriko Kubota, Hiromasa Niinomi, Yasutaka Matsuo, Hiroaki Misawa, Masaru Nakagawa
  • 学会等名: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 異方脱濡れが示唆する水/氷V界面における未知の水の液晶性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 押切友也, 中川勝, 山崎智也, 香内晃, 木村勇気, 灘浩樹, 羽馬哲也, 麻川明俊
  • 学会等名: 2023年度高分子学会東北支部研究発表会
  • 招待講演
• [学会発表] 有機修飾剤を用いた超臨界水熱法による酸化ニッケルナノ結晶の合成と物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川瀬智暉, 押切友也, 笘居高明, 中川勝
  • 学会等名: 2023年度高分子学会東北支部研究発表会
• [学会発表] シングルナノ精度を有する光硬化成形体の蛍光強度膜厚測定法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 稲川亮太, 大沼晶子, 新家寛正, 押切友也, 中川勝
  • 学会等名: 2023年度高分子学会東北支部研究発表会
• [学会発表] 近接場キラリティの設計と観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 押切友也
  • 学会等名: 学術変革領域研究「キラル光物質科学」「メゾヒエラルキー」合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] キラルな氷IIIと水の界面に生成する未知の水のキラルなスピノーダル様秩序形成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • 学会等名: 学術変革領域研究「キラル光物質科学」「メゾヒエラルキー」合同シンポジウム
• [学会発表] 水素製造光カソード構築に向けた酸化ニッケル膜の作製と界面でのホール輸送能 (2023)
  • 著者名/発表者名: 押切友也, 葛原隆, 久保田紀子, 新家 寛正, 松尾 保孝, 三澤 弘明, 中川 勝
  • 学会等名: 第72回高分子討論会
• [学会発表] 異方スピノーダル様脱濡れが示唆する水/氷V界面における未知の水の液晶性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家 寛正, 山崎 智也, 灘浩樹, 羽馬 哲也, 香内 晃, 押切 友也, 中川 勝, 木村 勇気
  • 学会等名: 第72回高分子討論会
• [学会発表] 湿式・焼成プロセスを導入した金ナノ粒子/酸化ニッケル/白金電極の光電気化学反応特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 押切 友也, 葛原 隆, 久保田 紀子, 新家 寛正, 松尾 保孝, 三澤 弘明, 中川 勝
  • 学会等名: 2023年光化学討論会
• [学会発表] Low- and High-Density Unknown Waters at Interfaces between Water and Ices Grown/Melted by Pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiromasa Niinomi, Tomoya Yamazaki, Hiroki Nada, Tetsuya Hama, Akira Kouchi, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa, Jun Nozawa, Junpei T. Okada, Satoshi Uda, Yuki Kimura
  • 学会等名: The 20th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-20)
  • 国際学会
• [学会発表] Chiral Crystallization Directed by Superchiral Plasmonic Near-field Force (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiromasa Niinomi, An-Chieh Cheng, Teruki Sugiyama, Miho Tagawa, Toru Ujihara, Hiroshi Yoshikawa, Ryuzo Kawamura, Jun Nozawa, Junpei T. Okada, Satoshi Uda, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa
  • 学会等名: The 20th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-20)
  • 国際学会
• [学会発表] Super Chiral Field on an Achiral Gold Nanostructure (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Oshikiri, Hiromasa Niinomi, Masaru Nakagawa, Hiroaki Misawa
  • 学会等名: The 31st International Conference on Photochemistry (ICP-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Improve Charge Transfer under Strong Coupling Condition via Interfacial Modulation (2023)
  • 著者名/発表者名: En Cao, Xu Shi, Yocefu Hattori, Quan Sun, Tomoya Oshikiri, Hiroaki Misawa
  • 学会等名: The 31st International Conference on Photochemistry (ICP-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Hot Electron Transfer Enhanced by Quantum Coherence under Modal Strong Coupling Conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Yen-En Liu, Xu Shi, Tomohiro Yokoyama, Soshun Inoue, Yuji Sunaba, Tomoya Oshikiri, Quan Sun, Mamoru Tamura, Hajime Ishihara, Keiji Sasaki, Hiroaki Misawa
  • 学会等名: The 31st International Conference on Photochemistry (ICP-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Improved water splitting efficiency of Au-NPs-loaded gallium oxide under modal strong coupling conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Xu Shi, Yaguang Wang, Tomoya Oshikiri, Hiroaki Misawa
  • 学会等名: The 31st International Conference on Photochemistry (ICP-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum-coherence-enhanced Raman Scattering under Modal Ultrastrong Coupling Conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Suganami, Tomoya Oshikiri, Hideyuki Mitomo, Keiji Sasaki, Yen-En Liu, Xu Shi, Yasutaka Matsuo, Kuniharu Ijiro, Hiroaki Misawa
  • 学会等名: The 31st International Conference on Photochemistry (ICP-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Creation of photo-reaction field using designed near-field (2023)
  • 著者名/発表者名: 押切友也
  • 学会等名: 第50回東北地区高分子若手研究会夏季ゼミナール
• [学会発表] Liquid Crystal-Like Unknown Water Inferred by Anisotropic Spinodal-like Dynamics at a Water-Ice V Interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiromasa Niinomi, Tomoya Yamazaki, Hiroki Nada, Tetsuya Hama, Akira Kouchi, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa, Yuki Kimura
  • 学会等名: 第50回東北地区高分子若手研究会夏季ゼミナール
• [学会発表] Synthesis of nickel oxide nanocrystals by supercritical hydrothermal method (2023)
  • 著者名/発表者名: 川瀬智暉, 押切友也, 笘居高明, 中川勝
  • 学会等名: 第50回東北地区高分子若手研究会夏季ゼミナール
• [学会発表] 氷V/水界面に生成する未知の水のスピノーダル分解様ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会２０２３年大会
• [学会発表] 合成石英モールドを用いたUV-NILによるシリコンナノディスク配列体の作製と光機能 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高野修綺, 新家寛正, 森田伊織, 後藤和泰, 押切友也, 中川勝
  • 学会等名: 2023年第2回ナノインプリント技術研究会
• [学会発表] Surface-enhanced Raman Scattering under Modal Ultrastrong Coupling Conditions Using Close-packed Gold Nanoparticles and Fabry? P?rot Nanocavity (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Suganami, Tomoya Oshikiri, Hideyuki Mitomo, Keiji Sasaki, Yen-En Liu, Xu Shi, Yasutaka Matsuo, Kuniharu Ijiro, Hiroaki Misawa
  • 学会等名: The 10th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP10)
  • 国際学会
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/oshikiri/published_papers/45846199
• [産業財産権] 集光デバイス、集光デバイスの製造方法」押切友也、中川勝、早川俊昭、 (2023)
  • 発明者名: 押切友也、早川俊昭、中川勝
  • 権利者名: 国立大学法人東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-161791