• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2015 年度 実績報告書

制御された金属ナノ構造による励起子ポラリトン素過程の追跡と反応場への応用

公募研究

研究領域高次複合光応答分子システムの開拓と学理の構築
研究課題/領域番号 15H01073
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) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワード光物性 / ポラリトン / 強結合 / ダイナミクス / 光反応
研究実績の概要

平成27年度は、放射ロスが0のダークモードプラズモンを示す金属ナノ構造を作製するために、金属/誘電体/金属の3層で構成される構造体を作製し、その中で最も高い光電場増強効果を示す金属ナノ構造体の設計を明らかにした。可視波長域において誘電率の虚部(吸収損失)が小さい銀だけではなく、金やアルミニウムを金属材料に用い、誘電体層をアルミナとして作製した。特に、金や銀を用いた場合はアルミナ層の厚みを3 nmと薄膜化するとダークモードの共鳴波長が近赤外波長域に存在し、可視波長域のエキシトンとハイブリッドシステムを形成することはできない。そこで、本研究では新たに紫外・可視波長域にプラズモン共鳴を示すアルミニウム構造体に着目した。なお、中間のアルミナ層の厚みは、原子層堆積装置を用いて原子レベルの分解能で制御した。分光特性を検討したところ双極子共鳴モードの長波長側にスペクトルの歪みが観測され、四重極子共鳴が誘起されていることを明らかにした。一方、双極子共鳴と四重極子共鳴の位相緩和ダイナミクスは、時間分解光電子顕微鏡により明らかになり、放射ロスが小さい四重極子共鳴(ダークモード)は、位相緩和時間が約2倍長いことが明らかになった。また、ポルフィリンのJ会合体分子を構造体基板近傍に配置し、プラズモン-エキシトンハイブリッドシステムを構築した。分光特性を検討し、真空ラビ分裂に由来する半交差の振る舞いを示す分散特性を得ることに成功した。また、時間分解分光によりハイブリッドシステム(エキシトンポラリトン)の緩和過程を明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

中間のアルミナ層の膜厚を薄くした方が、高い光閉じ込め効果を示すことが時間領域差分法による解析や発光計測により明らかになった。これにより、銀だけではなく、紫外・可視波長域にプラズモン共鳴を示すアルミニウムを用いることにより、可視波長域で四重極子励起に基づいて極めて高い光電場増強効果を示す構造体の設計を新たに明らかにすることに成功した。また、金や銀を用いると近赤外域に四重極子共鳴モードを示す金属ナノ構造体を作製することが可能であることを明らかにした。これにより、分子や分子間の振動モードとプラズモンのハイブリッドシステムの構築に成功し、分光特性から真空ラビ分裂に由来する半交差の振る舞いを示す分散特性を得ることにも成功した。可視波長域だけではなく、赤外・テラヘルツ帯域においてもプラズモンと分子間のハイブリッドシステムの構築に成功したことは新規性が高い。以上の理由から、当初の計画以上に研究が進んでいると判断した。

今後の研究の推進方策

今後は、引き続き時間分解分光によりハイブリッドシステム(エキシトンポラリトン)のダイナミクスについて検討する。金属/アルミナ/金属の3層からなる金属ナノ構造のアルミナ部分を若干化学エッチングし、金属と金属の構造間に励起子分子が入る隙間を作製する。これにより、基板と垂直方向(z軸方向)にナノギャップが形成され、ダークモードが誘起される増強場に積極的に励起子が接近できる空間が形成される。本研究では、メロシアニンからスピロピランへのフォトクロミック反応が励起子ポラリトンの形成によりどの程度促進されるかについて検討し、励起子分子への光閉じ込めによる増強光化学反応場の有用性を検討する。そのためには、さまざまな金属ナノ構造体(共鳴波長の異なるもの、ダークモードを示すもの/示さないもの、化学エッチングによりナノギャップを形成したもの/していないもの)を用いて本実験を行い、比較検討する。これらの研究項目を明らかにして構造設計の最適化を図ることにより、放射ロスがなく高い光閉じ込め効果を示す究極の光化学反応増強場を構築し、本研究を総括する。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 7件、 招待講演 7件) 図書 (2件)

  • [国際共同研究] Rice University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Rice University
  • [国際共同研究] INRS University(Canada)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      INRS University
  • [雑誌論文] Dissecting the few-femtosecond dephasing time of dipole and quadrupole modes in gold nanoparticles using polarized photoemission electron microscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Q. Sun, H. Yu, K. Ueno, A. Kubo, Y. Matsuo, H. Misawa
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 10 ページ: 3835-3842

    • DOI

      Doi: 10.1021/acsnano.6b00715

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Surface-enhanced terahertz spectroscopy using gold rod structures resonant with terahertz waves2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, S. Nozawa, H. Misawa
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 23 ページ: 28584-28592

    • DOI

      Doi: 10.1364/OE.23.028584

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Plasmon-induced water splitting using metallic-nanoparticle-loaded photocatalysts and photoelectrodes2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, T. Oshikiri, H. Misawa
    • 雑誌名

      ChemPhysChem

      巻: 17 ページ: 199-215

    • DOI

      Doi: 10.1002/cphc.201500761

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Plasmon-induced artificial photosynthesis2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, T. Oshikiri, Y. Zhong, X. Shi, H. Misawa
    • 雑誌名

      Interface Focus

      巻: 5 ページ: 20140082-1-9

    • DOI

      Doi: 10.1098/rsfs.2014.0082

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Plasmon-enhanced light energy conversion using gold nanostructured oxide semiconductor photoelectrodes2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, T. Oshikiri, K. Murakoshi, H. Inoue, H. Misawa
    • 雑誌名

      Pure and Applied Chemistry

      巻: 87 ページ: 547-555

    • DOI

      Doi: 10.1515/pac-2014-1120

    • 査読あり
  • [学会発表] Plasmon-enhanced photochemistry using nano-engineered gold particles2016

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Nanophotonics (ICNP 2016)
    • 発表場所
      Taipei (Taiwan)
    • 年月日
      2016-03-21 – 2016-03-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Surface-plasmon enhanced terahertz spectroscopy using gold nanostructured terahertz antennae2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, S. Nozawa, H. Misawa
    • 学会等名
      International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2015)
    • 発表場所
      Honolulu, Hawaii (USA)
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Surface-enhanced terahertz spectroscopy using plasmonic structures2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno
    • 学会等名
      CityU/Hokkaido University Joint Workshop "Advanced Materials and Characterisation"
    • 発表場所
      Hong Kong (China)
    • 年月日
      2015-12-10 – 2015-12-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmon-induced photochemical reactions using nanoengineered gold particles2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno
    • 学会等名
      The Seventh RIES-CIS Symposium
    • 発表場所
      Hsinchu (Taiwan)
    • 年月日
      2015-11-06 – 2015-11-07
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 金属ナノ微粒子を用いたプラズモン誘起光化学反応2015

    • 著者名/発表者名
      上野貢生, 押切友也, 三澤弘明
    • 学会等名
      第5回化学フェスタ2015
    • 発表場所
      タワーホール船堀 (東京都江戸川区)
    • 年月日
      2015-10-13 – 2015-10-15
    • 招待講演
  • [学会発表] Surface plasmon-enhanced photochemical reactions2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno
    • 学会等名
      XVIIIth International Krutyn Summer School 2015
    • 発表場所
      Krutyn (Poland)
    • 年月日
      2015-09-27 – 2015-10-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 表面増強テラヘルツ分光による化学反応の追跡2015

    • 著者名/発表者名
      上野貢生, 野澤 翔, 三澤弘明
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学 (大阪府大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] Surface-enhanced terahertz spectroscopy of amino acid molecules on gold nanostructured terahertz antennae2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, S. Nozawa, H. Misawa
    • 学会等名
      27th International Conference on Photochemistry (ICP2015)
    • 発表場所
      Jeju Island (Korea)
    • 年月日
      2015-06-27 – 2015-07-04
    • 国際学会
  • [学会発表] プラズモンナノ材料による化学センサーの開発 ―近赤外光からテラヘルツ波技術へ―2015

    • 著者名/発表者名
      上野貢生
    • 学会等名
      第1回レーザー学会「レーザーバイオ医療」技術専門委員会
    • 発表場所
      千歳科学技術大学 (北海道千歳市)
    • 年月日
      2015-06-26 – 2015-06-26
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemical applications of plasmonics using precisely controlled metallic nanostructures2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno
    • 学会等名
      The 7th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP7)
    • 発表場所
      Jerusalem (Israel)
    • 年月日
      2015-05-30 – 2015-06-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 近赤外・紫外線-波長変換と光吸収増大による太陽電池の高効率化技術2015

    • 著者名/発表者名
      三澤弘明, 上野 貢生, 押切友也
    • 総ページ数
      12
    • 出版者
      S&T出版
  • [図書] アンモニアを用いた水素エネルギーシステム2015

    • 著者名/発表者名
      押切 友也, 上野 貢生, 三澤 弘明
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      シーエムシー出版

URL: 

公開日: 2017-01-06   更新日: 2022-01-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi