2020 Fiscal Year Research-status Report
Research for high-efficiency plasmon conversion using 3D-photonic nanographene and application to photo-catalysis
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19K22226
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藤田 淳一 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10361320)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 良一 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90700170)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズモン共鳴 / 3次元グラフェン / 2光子吸収 / 水素発生 / 再輻射 / 3次元グラフェン / 光触媒 / 酸化チタン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、照射光に共鳴するミクロスケールの周期構造を持つ3次元グラフェンを創出し、このグラフィティックなフォトニック結晶に対して赤外・可視光を照射結合させて、グラフェン表面上にプラズモンを発生させ、高効率な２光子吸収と高効率光触媒機能を実現させようとしている。このためには、照射光に共鳴する周期的1次構造を形成し、さらに３次元グラフェン表面には2次構造として、ナノサイズの細孔や突起を形成することで、プラズモンを集中させる。ナノホールのエッジで形成されるプラズモン共鳴場や、グラフェンナノ突起殻でのウィスパイング・ギャラリーモードを利用して効率よくプラズモン高輝度輻射場を形成して、高効率光触媒反応に応用しようとしている。
ところが３次元グラフェンは極めて脆く、一次周期構造を形成することが困難であることが判明したために、研究方針を次のように変更した。表面プラズモンを励起するための共鳴構造は、シリコン酸化膜基板上に金やアルミを用いたマイクロリソグラフィで形成する。さらに、昨年度に見出したナノボール型の３次元グラフェン粒をプラズモン集光領域に塗布して、プラズモンからの高強度な最輻射触場での２光子吸収により、高効率の光触媒反応を実現することとした。
シリコン酸化膜基板上に形成した一次共鳴構造として、例えば金コーティングしたフレネルゾーン型プラズモン共鳴器は、波長400nm程度の領域で明瞭なプラズモン共鳴吸収特性を示し、中央のマイクロドットからは、強い輻射光が観測された。この領域に酸化チタン粒子を塗布した場合、プラズモン共鳴構造を持たない場合に対して、アルコール還元環境での水素発生は、単位面積当たり10倍を超す優位な水素発生効率を検証することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究の方針変更があったものの、プラズモン共鳴構造が有効な光再輻射場を形成して、光触媒反応効率を大幅に改善することが実証できた。反射スペクトルにより、周期が短くなるにつれて表面プラズモン吸収谷の位置は可視光領域にシフトする。共鳴構造周期が1.5μmの場合では、入射光は35°以上入射すると、波長770nm以下の領域で強い表面プラズモンの励起が観察された。また、532nm以下の自然光をピッチ1.5μmのフレネルゾーン金属パターン上でプラズモン変換し、ゾーン中央で集中させた光再輻射場において光触媒反応を行うプラズモン変換デバイスを試作し、TiO2ナノ粒子を担持させたプラズモン変換デバイスにおいて、輻射場の単位面積当たり１０倍以上の高率上昇をみいだした。
さらに、3次元グラフェンの新しい形態となるナノスフェア型３次元グラフェンの合成に成功した。この３次元グラフェンナノ粒子には、ナノポーラス構造が作りこまれている。この新しい３次元構造グラフェンナノ粒子と、今回開発に成功したプラズモン変換デバイスを組み合わせる事で、当初予定していた、３次元グラフェンをベースとする高効率光触媒反応を検証できる可能性がでてきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズモン変換デバイスによる２光子吸収光触媒反応を実証し得たこと、さらに、新しい形態の３次元グラフェンナノ粒子の合成に成功したことを受けて、次年度は、（１）プラズモン変換デバイスのさらなる変換効率の改良、（２）３次元グラフェンナノ構造体および伝統的なTiO2ナノ粒子とプラズモン変換デバイスとを組み合わせた、高効率光触媒反応の実証、の２点について研究を推進していく。（１）のプラズモン変換デバイスの高効率化では、変換デバイスのパターン形状、特に共鳴体エッジ形状と共鳴体の２次元的繋がりが、プラズモンの集光と再輻射効率に強く関与する。次年度は、電子ビーム露光装置の利用も含めてより高精細なデバイス構造の設計とシミュレーションを元に、デバイス作成を推進していく。また、光触媒反応についても、電気化学的観点からの現象の理解を進めるとともに、水素発生効率のさらなる向上を目指して、発生装置そのものの改造にも取り組んでいく。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた材料（３次元グラフェン）を用いたプラズモンデバイスでは構造的不具合が生じる事が判明したために、デバイス構造と材料を大幅に変更した。これに伴い、購入予定の疑似太陽光証明、ならびに分光器の整備購入を最終年度に変更したため。
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