KAKENHI (Grants-in-Aid for Scientific Research) -
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Preparation of Quantum Dot Hybrid Arrays for the Application to Light Conversion Systems
Grant number：22K19083 2022.6 - 2024.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Torimoto Tsukasa
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\6500000 （ Direct Cost: \5000000 、 Indirect Cost：\1500000 ）
A monolayer film composed of metal-semiconductor composite nanoparticles was fabricated by sequentially sputter-depositing metals onto an ionic liquid surface. At first, Au was sputter-deposited onto the ionic liquid, forming a monolayer film of Au nanoparticles on the liquid surface. Subsequently, Ni was sputter-deposited onto this film and then air-oxidized to produce a monolayer film of Au-NiOx composite nanoparticles. This film was transferred onto a glassy carbon electrode substrate using a horizontal deposition method. The cyclic voltammogram of the Au-NiOx composite revealed an oxidation peak corresponding to the oxidation of Ni(II) to Ni(III), in addition to the reduction peak of the AuOx monolayer on the Au surface. This confirms the formation of a monolayer film composed of Au-NiOx metal-semiconductor composite nanoparticles using a method involving sequential metal sputtering onto an ionic liquid.
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未利用な太陽光エネルギーを利用する多元量子ドット光触媒の開発
Grant number：22H00341 2022.4 - 2026.3
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
鳥本 司
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\42770000 （ Direct Cost: \32900000 、 Indirect Cost：\9870000 ）
低次元材料である量子ドットは、極めて大きな比表面積をもつ非平衡材料であり、他の物質との相溶性や非化学量論組成が大幅に拡大するので、材料設計の自由度が大きい。これを利用して本研究課題では、多元半導体（３元素以上）の化学組成・非化学量論性と異種元素のドープ量を精密に制御し、量子ドットの電子構造を自在に制御する。さらに、結晶成長の異方性を発現させて量子ドットの粒子形状・ナノ構造の精密制御法を確立する。これらにより、太陽光を高効率に利用する新規光触媒反応系の構築を目指す。
低次元材料である量子ドットは、極めて大きな比表面積をもつ非平衡材料であり、他の物質との相溶性や非化学量論組成が大幅に拡大するので、材料設計の自由度が大きい。現在、高毒性元素を含むCdSe,CdTe,PbSなどの二元半導体量子ドットが主な研究対象となっているが、その利用範囲は厳しく制限されており実用化が困難な材料といえる。そこで本研究課題では、低毒性元素からなる多元半導体（３元素以上）の化学組成・非化学量論性と異種元素のドープ量を精密に制御し、量子ドットの電子構造を自在に制御することを目指す。本年度は、近赤外光領域にバンドギャップ（Eg）をもつ新規多元量子ドットの合成を継続して行うと共に、光電変換特性に及ぼす粒子組成・サイズの影響を評価した。
近赤外領域にバンドギャップを持つ半導体としてAgBiS2を選び、、液相化学合成により粒子サイズと組成の制御を行った。反応温度を100oCから200oCへ上昇させると、量子ドットのサイズが2.6 nmから8.1 nmに増大した。粒子組成は、反応温度の上昇に伴ってAg割合が増大し、150℃以上で合成した量子ドットでは、AgBiS2の化学量論組成に近い値を示した。化学量論組成のAg-Bi-S量子ドットをITO電極上に担持して光電気化学特性を評価したところp型半導体の光応答が得られ、その光電流の立ち上がり電位は価電子帯準位によく一致した。光電流の作用スペクトルを測定から、近赤外光照射によって光電流が生成したことがわかった。一方で、Ag含有率の少ない量子ドットは、バンドギャップ内に光電流の立ち上がり電位を示し、再結合中心となる欠陥サイトがバンドギャップ内に存在することが示唆された。以上のように、粒子内の欠陥準位を精度良く制御することで、効率よく光エネルギー変換できるAg-Bi-S量子ドットが作製できることを明らかにした。
近赤外光領域にエネルギーギャップを有する金属カルコゲナイド化合物半導体の１つであるAgBiS2を対象として、Ag-B-S量子ドットの液相化学合成に成功し、粒子サイズと組成を高精度に制御することに成功した。さらにAg-B-S量子ドットの電子エネルギー構造が化学組成により大きく変化することを解明し、量子ドットの光エネルギー変換特性に大きな影響を及ぼす欠陥準位の存在とそのエネルギーレベルを見積もることに成功した。
これらの成果は、当初の計画に予定していたものであり、「おおむね順調に進展している」と評価した。
前年度までに行った低毒性多元量子ドットの精密液相合成法の開発と、サイズ・形状制御による電子エネルギー構造の制御を引き続き行うとともに、その光触媒活性を評価し、量子ドット光触媒の作製と高活性化のための設計指針を得る。 -
Fabrication of highly efficient photofunctional devices with heterojunctioned quantum dots
Grant number：18K19128 2018.6 - 2020.3
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Torimoto Tsukasa
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\6240000 （ Direct Cost: \4800000 、 Indirect Cost：\1440000 ）
We developed a solution-phase method for synthesizing high-quality multinary quantum dots (QDs) composed of less toxic elements, in which harmful defect sites for photo-generated charge carriers were mostly eliminated. Furthermore, the chemical compositions of QDs were precisely controlled to tune their electronic energy structures. The obtained QDs exhibited photoluminescence properties, photoelectrochemical properties, and photocatalytic activities, being dependent on the sizes and shapes of QDs and their chemical compositions. These results indicate that less-toxic multinary quantum dots obtained in this study are useful as photo-functional materials in practical applications.
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Grant number：18H03927 2018.4 - 2022.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Tsukasa Torimoto
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\44460000 （ Direct Cost: \34200000 、 Indirect Cost：\10260000 ）
Alloy nanoparticles composed of multinary elements are expected to exhibit various functions. The preparation of multinary alloy nanoparticles, however, has been very difficult with use of conventional methods, because it requires more precise controls of the particle composition and size as the number of constituent metal elements increases. In this study, we used a non-equilibrium process, that is, an ionic liquid/metal sputtering method, to synthesize nanoparticles composed of non-equilibrium alloys, which were difficult to be prepared by conventional chemical methods. Furthermore, we evaluated electrocatalytic activities of obtained multinary alloy nanoparticles for various electrode reactions, in which the activities were strongly dependent on the particle compositions. Since our methods enable to obtain novel non-equilibrium alloy nanoparticles, we can use these to develop novel highly functional electrocatalysts.
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量子ドットの非線形光応答を用いる新規電気化学反応系の開拓
Grant number：17H05254 2017.4 - 2019.3
新学術領域研究(研究領域提案型)
鳥本 司
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\7930000 （ Direct Cost: \6100000 、 Indirect Cost：\1830000 ）
量子ドットを光吸収層として用い、高効率な可視光駆動型光触媒システムの開発が活発に行われている。光触媒活性を向上させる手法の1つとして半導体への異種金属ドーピングがあり、キャリア濃度を増加させて効率よく光触媒反応を進行させることができる。そこで本研究では、ロッド形状をもつZnS-AgInS2（ZAIS）量子ドットにZn2+イオンと同等のイオン半径を持つMg2+イオンをドープし、光触媒活性に及ぼす影響を評価した。
Mg2+ドープZAIS量子ドット(Mg-ZAIS)は、対応する金属酢酸塩を、オレイルアミン中250 ℃で、硫黄化合物と反応させることによって作製した。得られたMg-ZAIS量子ドットを、正孔捕捉剤としてNa2Sを含む水/2-プロパノール混合溶液(1 : 1)に分散させてXeランプを照射(λ＞350 nm)し、発生した水素量を定量することによって光触媒活性を評価した。
Mg-ZAIS量子ドット中のMg2+含有割合は、仕込み金属組成に関わらず、全金属原子に対して約2～4%とほぼ一定であった。Mg-ZAIS量子ドットの粒子形状はロッド形状であり、粒子中のZn2+含有割合を増加させると、ロッド幅（約5 nm）をほとんど変化させることなく、ロッド長さを16 nmから23 nmまで増加させることができた。ロッド形状をもつZAISおよびMg-ZAIS量子ドットに光照射すると、いずれの場合においても光照射時間とともに水素発生量がほぼ直線的に増加した。さらにMg-ZAIS量子ドットの水素発生速度は、ZAIS量子ドットのものよりも約3倍大きくなった。このことは、Mg2+がZAIS結晶内の金属カチオンと置換してドープされることで、量子ドット中のキャリア濃度が増大し、H+への光励起電子移動がより効率よく起こったためと考えられる。
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。 -
Fabrication of structured materials by illumination of helical light fields
Grant number：16H06507 2016.6 - 2021.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Omatsu Takashige
Authorship：Coinvestigator(s)
We have successfully demonstrated optical vortex trapping and chiral crystallization of sodium chlorate (NaClO3). The chirality of NaClO3 crystals is selectively controlled by controlling the handedness of an irradiating optical vortex laser beam. A high crystal enantiomeric excess of 57% was obtained. These results manifest that the orbital angular momentum of an irradiating optical vortex laser beam twists the crystal during its polymorphic transition from a metastable achiral crystal to a stable chiral crystal. This work will offer new fundamental insights into the dynamics and mechanism of enantioselective control in chiral crystallization and the origin of homochirality.
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Efficient light energy conversion with semiconductor nano-photodiode particles
Grant number：15H03876 2015.4 - 2018.3
Torimoto Tsukasa
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\17550000 （ Direct Cost: \13500000 、 Indirect Cost：\4050000 ）
Light energy conversion systems using semiconductor nanoparticles have been attracted much attention. In this study, we synthesized multinary semiconductor nanoparticles of low toxicity with solution phase methods and investigated their activities for light energy conversion. The photocatalytic activity of the ZnS-AgInS2 solid solution (ZAIS) nanoparticles was remarkably varied, depending on their particle composition, size, and shape. In particular, dumbbell-shaped ZAIS particles, composed of two ellipsoidal nanocrystals deposited on a rod-shaped particle, showed higher photocatalytic activity than those of single-component counterparts, due to the efficient charge separation at Type II heterojunction inside a particle. Furthermore, thin film photoelectrodes, composed of in the ZnTe-AgIgTe2 solid solution (ZAITe) nanoparticles, exhibited higher activity for photocurrent generation when the heterojunction was formed by the deposition of In2S3 shell layer on the ZAITe film surface.
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ヘテロ接合量子ドット光触媒を用いる高効率光触媒反応の開発
2015.4 - 2017.3
科学研究費補助金 新学術領域研究(研究領域提案型)
Authorship：Principal investigator
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量子ドットの禁制遷移準位での多数励起子生成による新規光反応の開発
2015.4 - 2017.3
科学研究費補助金 新学術領域研究(研究領域提案型)
Authorship：Principal investigator
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希土類-貴金属合金ナノ粒子の液相精密合成と電極触媒への応用
2015.4 - 2016.3
科学研究費補助金
Authorship：Principal investigator
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イオン液体-金属スパッタリング法による新規コア・シェル構造触媒の開発
2014.4 - 2015.3
科学研究費補助金
Authorship：Principal investigator
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光による半導体粒子の形状異方性制御とエネルギー変換材料への応用
2008
科学研究費補助金 基盤研究(A)，課題番号：20245031
鳥本 司
Authorship：Principal investigator
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ジングルベル型微粒子のナノ構造制御による新奇光反応場の創成
2007.8 - 2011.3
科学研究費補助金 特定領域研究、19049009
鳥本 司
Authorship：Principal investigator
金属粒子－半導体粒子を複合化すると、金属粒子の表面プラズモン励起による光電場増強場によって、半導体光触媒反応が高効率で進行すると予想されるが、これら粒子を直接結合させた系では半導体から金属粒子への光誘起電荷移動が並行して進行するために、明確な証拠は未だ得られていない。本研究では、半導体ナノ粒子を内部に持つ中空シェル粒子（ジングルベル型構造体）を金属粒子と複合化させ、得られた複合体の精密構造制御法を確立する。さらにこの複合体粒子のナノ構造が光触媒活性に及ぼす影響を解明し、光-分子強結合反応場の構築を目指す。
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イオン液体への真空蒸着によるナノ粒子の合成と触媒への応用
2007
科学研究費補助金 萌芽研究，課題番号：19655075
鳥本 司
Authorship：Principal investigator
金属・半導体粒子は、10nm以下の小さな粒子になると、量子サイズ効果によってバルク結晶とは異なった物理化学特性を示す。ナノ粒子の合成法は、大きく２つに分類でき、化学反応を利用して溶液中で生成させる方法と、真空技術を利用して基板上に直接ナノ粒子を析出させる方法がある。本研究では、このイオン液体の蒸気圧が無いという特徴を利用し、従来のウエットおよびドライプロセスによる２つの合成法の長所のみを利用する新規ナノ粒子合成法を開発する。すなわち、金属あるいは半導体を真空中においてイオン液体に直接蒸着することによって、バルク材料からナノ粒子を直接作製する新規合成法を確立する。
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光化学反応を利用する単分散半導体ナノ粒子の合成とその集積化
2005.4 - 2007.3
科学研究費補助金 特定領域研究，課題番号：17029004
鳥本 司
Authorship：Principal investigator
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発光波長を自在に制御できる半導体ナノ粒子集積体の開発
2004 - 2007.3
科学研究費補助金 基盤研究（Ｂ），課題番号：16350095
鳥本 司
Authorship：Principal investigator