フォトニック結晶を用いた新規光化学デバイスの作製およびその評価

使用光子晶体的新型光化学器件的制造和评估

基本信息

批准号：
08J01836
负责人：
西島喜明
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究においては、微粒子の周期構造体を用いて新規光機能性材料の作製を行い、色素増感太陽電池や光触媒等への応用を目的として研究を行ってきた。特に従来の色素増感太陽電池では可視光に対しては光電変換可能であったが、800nm以上の近赤外光では光電変換ができないことが知られている。今年度の研究では、800nmより長波長の光を用いても光電変換を行うことが可能であることを見出した。n型半導体基板としてNbを0.05%ドープしたルチル型単結晶酸化チタン基板を用いて、表面にレジストコート、EB描画、スパッタリングによる金成膜、リフトオフ法によって金属ナノ微粒子周期構造体を作製した。周期構造の設計は、110x240x40nm^3とし、周期はそれぞれ、200nm、300nmとした。この構造設計においては波長650nmと1000nmに共鳴を有する構造体となっている。この酸化チタン/金周期構造体を作用電極とし、対極に白金線参照電極に飽和カロメル電極(SCE)を用いた系において三電極式光電気化学計測によって測定を行った。その結果によると、従来単結晶酸化チタン基板のみの条件においては、バンドギャップが3.2eVを有しているために、400nm以下の波長の光でしか光電流を得ることができないが表面に金ナノ微粒子周期構造体を有することにより、500nm以上の長波長の光を照射しても光電流が得られることがわかった。さらに、各波長に対する変換効率を調べるために分光器によって単色光を得、アクションスペクトルを測定したところ、共鳴スペクトルに対して良い一致を示すスペクトルが得られた。このことから、光電変換は金ナノ微粒子構造体と光との共鳴によって誘起されているものと考えられる。以上のことより今年度において私は、酸化チタン単結晶基板上に金ナノ微粒子周期構造を作製することにより、その共鳴に依存した光電変換を可視から近赤外の幅広い波長で達成した。

In this study, we have fabricated new photofunctional materials using periodic structures of fine particles, and have been researched for the purpose of application to dye-sensitized solar cells, photocatalysts, etc. In particular, conventional dye-sensitized solar cells have been able to convert visible light into photoelectric conversion, but it is known that photoelectric conversion cannot be performed with near-infrared light of 800 nm or higher.今年的研究发现，即使波长超过800 nm，也可以执行光电转换。金红石型单晶钛氧化钛底物用0.05％Nb作为N型半导体底物掺杂，通过在表面，EB绘制，溅射和举起的表面上涂层和抗覆盖层来制造周期性的金属纳米颗粒结构。周期性结构的设计为110x240x40nm^3，周期分别为200nm和300nm。在这种结构设计中，该结构在650 nm和1000 nm的波长下具有共振。将这种氧化钛/金周期结构用作工作电极，饱和的钙胶电极（SCE）用作反电极作为铂线参考电极，并通过三电极光电极化学测量进行测量。 According to the results, it was found that, under the conventional condition that only a single crystal titanium oxide substrate is used, the band gap is 3.2 eV, and photocurrent can only be obtained with light having a wavelength of 400 nm or less, but by having a periodic gold nanoparticle structure on the surface, photocurrent can be obtained even when light having a long wavelength of 500 nm or more is irradiated.此外，通过光谱仪获得单色光，以确定每个波长的转换效率，并测量了动作光谱，从而导致频谱显示出与共振光谱的良好一致性。由此，可以认为光电转化是由金纳米颗粒结构和光之间的共振引起的。由于上述结果，今年，我通过在氧化钛单晶底物上制造周期性的金纳米颗粒，取决于其在从可见光到近红外的广泛波长下的共振。