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

2016 年度 実績報告書

• 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28年度は、ポルフィリンのＪ会合体分子をアルミニウムナノ構造体近傍に配置すると、ポルフィリンのSoret帯とQ帯の波長でそれぞれプラズモンと強結合を示し、分散カーブにおける半交差な振る舞いと結合振動子モデルによる解析に加えて、励起スペクトルの測定からSoret帯およびＱ帯のそれぞれの強結合系でハイブリッド準位の形成に基づくスペクトル変調が観測された。このことから、電子状態が変調していることを実験的に明らかにすることに成功した。特筆すべきは、Soret帯とQ帯の2つの波長域において電子状態の変調によるスペクトルの広帯域化がそれぞれ観測され、太陽光の幅広い波長をアンテナする光反応場として有用であることを示した。
同様の考え方を結合プラズモニック系にも適用した。複雑な形状の金dolmen構造（結合プラズモニック構造）はスペクトルが分裂することが知られており、これまで双極子モードと四重極子モード間の干渉（ファノ共鳴）に基づいてスペクトルに凹みが生じ、スペクトルが分裂すると考えられてきた。本研究では、波長可変レーザーと光電子顕微鏡を用いて金dolmen構造における光電子放出の作用スペクトルを測定したところ、強結合に基づいてハイブリッド準位が形成されたこと、そしてハイブリッド準位の形成に基づきスペクトルが分裂することを明らかにした。したがって、電子状態や振動状態の変調、そして禁制遷移モードのダイナミクスを明らかにするという観点、そして電子状態の変調による光吸収波長の広帯域化、禁制遷移モードが示す高い光閉じ込め効果によって創出される有用な光反応場の構築という観点から、強結合に基づいて電子状態を変調し高効率な光化学反応場を構築する当初の目的を達成した。

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] National Chiao Tung University/Academia Sinica(Taiwan)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Chiao Tung University/Academia Sinica
• [国際共同研究] Peking University(China)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Peking University
• [国際共同研究] Rice University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Rice University
• [雑誌論文] Versatile plasmonic-effects at the interface of inverted perovskite solar cells (2017)
  • 著者名/発表者名: A. E. Shalan, T. Oshikiri, H. Sawayanagi, K. Nakamura, K. Ueno, Q. Sun, H.-P. Wu, E. W.-G. Diau, H. Misawa
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 9 ページ: 1229-1236
  • DOI: 10.1039/C6NR06741G
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Plasmon-induced photoelectrochemical biosensor for in situ real-time measurement of biotin-streptavidin binding kinetics under visible light irradiation (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Guo, T. Oshikiri, K. Ueno, Xu Shi, H. Misawa
  • 雑誌名: Anal. Chim. Acta 巻: 957 ページ: 70-75
  • DOI: 10.1016/j.aca.2016.12.025
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Near-field spectroscopic properties of complementary gold nanostructures: applicability of Babinet’s principle in the optical region (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Mizobata, K. Ueno, H. Misawa, H. Okamoto, K. Imura
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 25 ページ: 5279-5289
  • DOI: 10.1364/OE.25.005279
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Highly sensitive aluminum-based biosensors using tailorable Fano resonances in capped nanostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: K.-L. Lee, H.-Y. Hsu, M.-L. You, C.-C. Chang, M.-Y. Pan, X. Shi, K. Ueno, H. Misawa, P.-K. Wei
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 ページ: 44104-1-14
  • DOI: 10.1038/srep44104
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Water splitting using a three-dimensional plasmonic photoanode with titanium dioxide nano-tunnels (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Takakura, T. Oshikiri, K. Ueno, X. Shi, T. Kondo, H. Masuda, H. Misawa
  • 雑誌名: Green Chem. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1039/c6gc03217f
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Near-field spectral properties of coupled plasmonic nanoparticle arrays (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Yu, Q. Sun, J. Yang, K. Ueno, T. Oshikiri, A. Kubo, Y. Matsuo, Q. Gong, H. Misawa
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 25 ページ: 6883-6894
  • DOI: 10.1364/OE.25.006883
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spectroscopic properties of gold curvilinear nanorod arrays (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Yokota, K. Ueno, H. Misawa, T. Tanaka
  • 雑誌名: Photonics 巻: 3 ページ: 18-1-8
  • DOI: 10.3390/photonics3020018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dual strong couplings between TPPS J-aggregates and aluminum plasmonic states (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Li, K. Ueno, H. Uehara, J. Guo, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 7 ページ: 2786-2791
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b01224
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface plasmon optical antennae in the infrared region with high resonant efficiency and frequency selectivity (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, Q. Sun, M. Mino, T. Itoh, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 24 ページ: 17728-17737
  • DOI: 10.1364/OE.24.017728
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Exploring coupled plasmonic nanostructures in the near field by photoemission electron microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Yu, Q. Sun, K. Ueno, T. Oshikiri, A. Kubo, Y. Matsuo, H. Misawa
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 10 ページ: 10373-10381
  • DOI: 10.1021/acsnano.6b06206
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cobalt oxide (CoOx) as an efficient hole-extracting layer for high-performance inverted planar perovskite solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: A. E. Shalan, T. Oshikiri, S. Narra, M. M. Elshanawany, K. Ueno, H.-P. Wu, K. Nakamura, X. Shi, E. W.-G. Diau, H. Misawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interface 巻: 8 ページ: 33592-33600
  • DOI: 10.1021/acsami.6b10803
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Spectral properties of plasmon-molecule hybrid states and coupled plasmonic systems (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, S. Nozawa, H. Yu, J. Li, Q. Sun, T. Oshikiri, H.Misawa
  • 学会等名: The 8th RSC‐CSJ Joint Symposium ―Recent Developments in Plasmonics― The Chemical Society of Japan The 97th Annual Meeting
  • 発表場所: 慶応義塾大学日吉キャンパス （神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-18 – 2017-03-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectral properties and ultrafast dynamics of localized surface plasmon resonances in metal/insulator/metal nanostructures from the near field (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, J. Yang, H. Yu, Q. Sun, X. Shi, T. Oshikiri, A. Kubo, Y. Matsuo, Q. Gong, H. Misawa
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会(2017)
  • 発表場所: 慶応義塾大学日吉キャンパス （神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [学会発表] プラズモニック結合系およびプラズモン－分子強結合系の分光特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 上野貢生、李 潔、于 瀚、孫 泉、押切友也、三澤弘明
  • 学会等名: 量子エレクトロニクス研究会「光-物質相互制御 ～制御技術の進展と新しい物理の探求～」
  • 発表場所: 上智大学軽井沢セミナーハウス （長野県軽井沢町）
  • 年月日: 2016-12-08 – 2016-12-10
  • 招待講演
• [学会発表] Infrared plasmonic chemistry based on strong coupling between gold nanostructures and molecular/intermolecular vibrational modes (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, S. Nozawa, J. Li, Q. Sun, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: 9th Asian and Oceanian Photochemistry Conference (APC2016)
  • 発表場所: Singapore (Singapore)
  • 年月日: 2016-12-04 – 2016-12-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectral modulations induced by interactions between molecular vibrational modes and infrared plasmon; strong coupling or electromagnetically induced transparency (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, S. Nozawa, J. Li, Q. Sun, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN 2016)
  • 発表場所: Ha Long City (Vietnam)
  • 年月日: 2016-11-08 – 2016-11-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasmon-induced water splitting by visible and near infrared light using gold nanostructured oxide semiconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: Global Artificial Photosynthesis - Breakthroughs for the Sustainocene
  • 発表場所: Lord Howe Island (Australia)
  • 年月日: 2016-09-09 – 2016-09-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface plasmon-assisted chemical reactions using nano-engineered gold nanoparticles (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, H. Misawa
  • 学会等名: The 14th International Conference of Near-Field Optics (NFO-14)
  • 発表場所: アクトシティ浜松 （静岡県浜松市）
  • 年月日: 2016-09-04 – 2016-09-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectral modulation of molecular/intermolecular vibrational mode by infrared plasmon (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno
  • 学会等名: Progress in Electromagnetics Research Symposium 2016 (PIERS 2016)
  • 発表場所: Shanghai (China)
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Infrared and THz plasmonics using nano-engineered gold structures (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno
  • 学会等名: 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META 2016)
  • 発表場所: Malaga (Spain)
  • 年月日: 2016-07-25 – 2016-07-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasmon-induced artificial photosynthesis; evolution of hydrogen and ammonia (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno, T. Oshikiri, H. Misawa
  • 学会等名: The 6th Sino-Japan bilateral young chemist forum
  • 発表場所: Dalian (China)
  • 年月日: 2016-06-30 – 2016-07-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasmonic photochemistry using nano-engineered gold particles (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno
  • 学会等名: The 10th Asia-Pacific Laser Symposium (APLS2016)
  • 発表場所: JEJU Island (Korea)
  • 年月日: 2016-05-10 – 2016-05-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasmon-based physics and chemistry using nano-engineered gold nanoparticles (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ueno
  • 学会等名: The 11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS 2016)
  • 発表場所: ホテル松島大観荘 （宮城県松島町）
  • 年月日: 2016-04-17 – 2016-04-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] http://www.kueno.com/