光エネルギーの低損失伝播集約による新規光機能開拓

通过光能的低损耗传播聚合开发新的光学功能

基本信息

批准号：
18J20921
负责人：
及川隼平
金额：
$ 1.41万
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：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

持続可能な社会に向けてクリーンかつ再生可能な太陽光、なかでもその半分を占める可視光のエネルギーを有効利用する技術開発が求められている。金属ナノ構造におけるプラズモン現象は、可視光を金属表面のナノ領域に集光することが可能である。この局在性を利用すると、光エネルギーの高効率物質転写が可能となるため、光電変換能の向上や新規光物性の開拓が期待される。例えば量子限界域に近接した金属二量体は、高次のプラズモン励起により光の散逸が抑制され、光の極限集約系として注目されている。しかし、作製過程におけるナノ構造の制御性や、光照射時における光学散乱に起因するエネルギー損失のためプラズモン励起状態の形成とその寿命には原理的、技術的な限界があり、光の効率利用に向けた系の光吸収、伝播、局在化のより高度な制御は重要な課題である。光散乱の抑制系として金属二量体構造や格子構造の応用が提案されている。可視光波長程度に整列された金属格子構造は、回折散乱光とプラズモンが結合することで光散乱が低減され、大きな吸収断面積と効率的な光伝搬能を有する。両者を組み合わせた系の創出は究極の光集約を可能とするが、既存のナノ構造制御技術の空間分解能や、光の摂動を転写する物質系との相互作用の自在制御など光エネルギーの高効率に向けて解決すべき課題が多く残されている。本研究では、電気化学反応による新規金二量体間の精密ナノ間隙制御を可能とし、室温下での高次プラズモン励起による極限光集約を実現した。続いて、低温アニール法によって構造不均一性が低減された金格子構造がレーザーや強結合等の光集約へ繋がる光学現象へ汎用的に応用可能であることを見出し、加えて、特定の欠陥が導入された格子構造と色素分子と強く相互作用させることにより、はじめて2次元空間内における光の集約効果を実証し、効率的な光捕集、伝播、局在を可能とする系を創出した。

为了实现一个可持续的社会，有必要开发有效利用清洁和可再生太阳能的技术，尤其是可见光的光，这占了一半的能源。金属纳米结构中的等离子体现象使可见光集中在金属表面的纳米区域。使用这种定位，可以使用高效的光能传质，因此可以提高光电转换功能，并开发新的光学特性。例如，接近量子极限范围的金属二聚体被高阶等离子体激发所抑制，并吸引注意力作为极限密集型光聚集系统。但是，由于在光照射期间由光散射引起的纳米结构的可控性，因此在等离子体激发态的形成及其寿命方面存在原理和技术局限性，以及对光吸收，传播和有效使用系统的光吸收和定位的更先进的控制是一个重要问题。已经提出了金属二聚体结构和晶格结构的应用，作为抑制光散射的系统。通过将衍射散射光与等离子结合在一起，将与可见光波长排列的金属光栅结构可降低，并具有较大的吸收横截面区域和有效的光传播能力。创建一个结合两者的系统可以实现光聚集的最终，但是为了实现高效率，需要解决许多问题，例如对现有纳米结构控制技术的空间分辨率以及与材料系统的交互作用的自由控制。在这项研究中，可以通过电化学反应之间的精确纳米间隙控制，并且在室温下高阶等离子体激发实现了最终的光聚集。接下来，发现通过低温退火降低结构不均匀性的金晶格结构通常可以应用于导致光聚集的光学现象，例如激光器和强耦合。此外，通过与引入特定缺陷的晶格结构进行强烈相互作用，首次证明了二维空间中的光聚集效应，从而创建了一个系统，可以有效地收集光，传播和本地化。