光-分子強結合反応場の創成
平成19年度～平成22年度
三澤 弘明（北海道大学・電子科学研究所・教授）
光触媒、太陽電池、光メモリー、フォトレジストなど、光をエネルギー源・駆動源とした様々な光化学の研究は、これまでの科学技術、社会の発展に大きく貢献してきた。しかし、従来の光化学の研究では、光と分子の相互作用を大きくすることは限界に近づいており、極めて少ない光子によって高効率に分子を励起するプロセスを実現することは難しい。少ない分子数によって効率良く光吸収を可能にするシステムを構築するためには、1）光の回折限界を越えるナノ空間に光を局在化させること、２）そのようなナノ空間に光をある程度の時間、閉じ込めること、すなわち、光を空間的・時間的に閉じ込めて分子と強く結合させるという新しい概念による「光－分子強結合反応場」が必要である。本領域においては、光子を捕捉・局在化させる機能を有するナノ・マイクロ構造を設計・構築して「光－分子強結合反応場」を創出するとともに、本反応場において新たに出現する光子と分子／物質系の極めて強いエネルギー・空間選択的な相互作用に関する学理の探求とその応用技術への展開を目的とした。物質系に投入された光子を極めて少ない分子数によって完全に吸収し、光を有効利用する「光?分子強結合反応場」は、光デバイスの小型化や低コスト化のみならず、デバイス作製に必要となるエネルギーの削減を可能にするものであり、光化学や光科学の研究の発展に資するところ大である。
計画班、公募班が一体となった協調的な研究体制を維持し、それらを新技術として発展させる原動力とした。その結果、光－分子強結合反応場として機能する金属微小構造などの単位構造の構築法をさらに発展させ、既存の系よりさらに高い電場増強を実現するための指針を得ることに成功し、トップダウン・ボトムアップ的手法それぞれによって優れた反応場の構築を実現した。また、これらの系に最適な光応答を示す種々の分子を導入することによって、高効率な光散乱、吸収、発光、光反応を誘起させることにも成功した。さらに、独自に開発を進めた高い空間・時間分解能を有する先端計測により、これらの光学特性、光エネルギー変換効率などに関して定量的な評価を行うことにも成功した。これら先導的な実験的検討と連携して、分子の有する波動関数の広がりと同程度のナノ空間に局在した光との相互作用を取扱うことが可能な新理論の検討を同時に推進することにより、光－分子強結合反応場における新奇反応の発見・応用の原理的な知見を深め、より実現が困難とされている禁制励起をはじめとした現象を具現する端緒を開いた。連携ミッションである「ナノ加工」と「光エネルギー変換デバイス構築」の実施を通じて、従来不可能とされていた空間分解能を有するナノ加工技術を創出、ならびに近赤外光による水の多電子移動酸化反応系を構築した。
A+（研究領域の設定目的に照らして、期待以上の成果があった）
本研究領域では、高効率な光化学反応場の創成を目指し、プラズモン共鳴を利用した反応場を構築するとともに、その場において進行する特異な反応を開拓し、その反応ダイナミクスの解明に関する研究が推進されてきた。本研究領域は、3つの研究班から構成されており、活発な共同研究が理論と実験の両側面から総合的に進められた結果、新しい光反応場の構築に成功している。領域代表者の強いリーダーシップの下に、班内・班間で活発な連携研究が推進され、1191報の報文や60件を超える特許が生み出されている点は特筆すべき点である。高性能光エネルギー変換デバイスの構築などの重要なテーマについて、国内外の研究集会を開催したり、国際学術雑誌の特集号を出版するなど、その成果を国際的に発信している。総括班が特定研究領域の枠組みを十分に生かし、若手研究者を育成するために独自のシステムを構築し、次世代を担う人材の育成に注力したことは高く評価できる。以上のように、本領域は、当初の目的に対し期待を超える進展が認められた。
「その領域の研究の発展が他の研究領域の研究発展に大きな波及効果をもたらす等、学術研究における先導的又は基盤的意義を有する研究領域」として、金属表面における局在プラズモンを「光―分子強結合反応場」として利用し、「微弱光による空間選択的な2光子重合等特異な反応の発見」、「可視・近赤外光による光電交換の達成」、「光電場増強効果を実現するための測定技術の開発」、および「高い空間分解能を有するナノ加工技術の創出」等の顕著な成果を上げている。プラズモン場の創成機構の解明という基礎研究から、その太陽電池などの開発につながる応用研究まで、組織的な研究が推進されており、当初設定した目的に対しその達成度は極めて高い。
「その領域の研究の発展が他の研究領域の研究発展に大きな波及効果をもたらす等、学術研究における先導的又は基盤的意義を有する研究領域」として、金属ナノ微粒子の近傍の空間など、微細領域における局所的電場増強効果を利用して、新しいタイプの現象や反応過程を見出しており、学際的な側面から光エネルギー変換デバイス構築のための実用的な技術開発につながる成果をあげている。これらの成果は1200報近い学術論文として報告されるととともに、60報の特許申請に結び付いている。表面プラズモンに関する基礎科学的な成果だけでなく、新しいデバイス開発につながる応用研究において成果をあげたことは高く評価できる。
領域代表の強いリーダーシップの下、総括班のバランスのとれた運営体制により共同研究が主体的に活発に行われ、プラズモニックという新しい領域の創成に寄与している。特に、高価な計測機器の共有や若手育成のために独自に体系化された組織を構築するなど、特定領域研究の枠組みを最大限利用した活動を推進したことは高く評価できる。
特に問題を指摘する意見はなかった。
本領域はユニークな優れた成果が数多くあげられており、期待以上の研究の進展があった。当該学問分野だけでなく、関連する応用分野の発展にも貢献していると判断される。
本領域に関係した研究グループにおいて、博士後期課程の学生や博士研究員の大学など研究教育機関への採用あるいは異動が16件、若手教員の昇任・人事異動は19件あり、本特定領域にて育成された若手研究者がさまざまな分野へと供給されたことは特記すべき点である。
平成23年度科学研究費補助金「特定領域研究」に係る研究成果等の報告書（※KAKEN科学研究費補助金データベースへリンク）
研究振興局学術研究助成課
-- 登録：平成24年02月 --