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プラズモンナノ材料の開発と応用

  • Developments and Applications of Plasmonic Nanomaterials
(2006年『プラズモンナノ材料の設計と応用技術』普及版)

商品コード: B0963

  • 監修: 山田淳
  • 発行日: 2011年5月
  • 価格(税込): 5,400 円
  • 体裁: A5判,340ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0332-1

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刊行にあたって

 伝統的なガラス工芸品である薩摩切子などには,「金赤」で代表されるように,金属微粒子がガラスの着色剤として使われている。金の微粒子が,何とも味わい深い赤色を生み出すのである。この現象こそ,表面プラズモン共鳴によるものである。表面プラズモンを設計し応用する科学技術分野はプラズモニクス(plasmonics)と呼ばれ,ここ数年の間で世界的な高まりを見せている。その主な理由として,光の回折限界を打ち破るナノ領域での光制御を可能にする最有力の技術であること,金属ナノ構造(ナノ粒子や規則的ナノ構造)を理論,実験の両面から設計・創製・解析する技術が発展したことが挙げられる。すでに,金属ナノ構造で起こる局在型表面プラズモン共鳴(局在プラズモン共鳴とも呼ぶ)は,表面増強ラマン散乱(SERS)をはじめとする優れた局所分光計測技術を生み出している。金属ナノ構造と光が生み出す現象は,無限の可能性を秘めている次世代の光科学技術なのである。
 プラズモニクスは物理学だけでなく,化学,電子工学,生物学など,多くの分野が対象となる学際的な研究分野である。こうした背景から,本書の執筆者の幾人かが結集して2003年に「プラズモニクス研究会」が設立され,産学一体となった活発な情報交換が展開されるようになった。
 本書「プラズモンナノ材料の設計と応用技術」は,上記のように,ここ数年急速に発展しているプラズモニクスの中核となるナノ構造の設計技術,分光計測技術,バイオ応用技術,フォトニクス応用技術の分野で先導的研究を展開している研究者に,最新の研究成果と関連分野の話題を中心に,“わかりやすく”,を合言葉に執筆いただいたつもりである。本書が,これから表面プラズモンを研究し利用しようとしている方々のために少しでも貢献できれば幸甚である。

2006年5月 山田 淳


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『プラズモンナノ材料の設計と応用技術』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年5月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

林 真至   (現)神戸大学 工学研究科 教授
桑原 穣   熊本大学大学院 自然科学研究科 物質生命科学専攻 助手
寺崎 正   (現)(独)産業技術総合研究所 生産計測技術研究センター 応力発光技術チーム 研究員
寺西利治   (現)筑波大学大学院 数理物質科学研究科 化学専攻 教授
平田寛樹   三菱マテリアル(株) 開発部門 技術開発室 技術主幹
石橋秀夫   日本ペイント(株) ファインプロダクツ事業部 開発部 
秋山 毅   九州大学大学院 工学研究院 応用化学部門 助手
         (現)滋賀県立大学 工学部 材料科学科 准教授
山田 淳   (現)九州大学大学院 工学研究院 応用化学部門 教授
立間 徹   (現)東京大学 生産技術研究所 教授
沢井良尚   北海道大学大学院 理学院 化学専攻 
加賀祐介   北海道大学大学院 理学院 化学専攻 
村越 敬   (現)北海道大学大学院 理学研究院 化学部門 教授
上野貢生   (現)北海道大学 電子科学研究所 准教授
三澤弘明   (現)北海道大学 電子科学研究所 教授
田丸博晴   東京大学 先端科学技術研究センター 助手
         (現)東京大学 大学院工学系研究科附属 光量子科学研究センター 特任講師
岡本裕巳   (現)自然科学研究機構 分子科学研究所 光分子科学研究領域 教授
朝日 剛   (現)愛媛大学大学院 理工学研究科 物質生命工学専攻 教授
宇和田貴之  大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻
         (現)台湾・国立交通大学 理学院応用化学科 助理研究員
二又政之   (現)埼玉大学 大学院理工学研究科 基礎化学コース 教授
丸山芳弘   (現)浜松ホトニクス(株) 筑波研究所 専任部員
石川 満   (現)(独)産業技術総合研究所 健康工学研究部門・生体ナノ計測グループ グループ長
新留康郎   (現)九州大学 工学研究院 応用化学部門 准教授
池羽田晶文  関西学院大学 理工学部 博士研究員
         (現)(独)農業・食品産業技術総合研究機構 食品総合研究所 主任研究員
尾崎幸洋   (現)関西学院大学 理工学部 教授
大澤雅俊   北海道大学 触媒化学研究センター 教授
石田昭人   京都府立大学 人間環境学部 環境情報学科 助教授
藤井亜矢子  京都府立大学 人間環境学部 環境情報学科  
佐藤保信   (独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 基礎科学特別研究員
細川和生   (現)(独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 専任研究員
前田瑞夫   (独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 主任研究員
河済博文   近畿大学 産業理工学部 生物環境化学科 教授
遠藤達郎   (現)東京工業大学大学院 総合理工学研究科 メカノマイクロ工学専攻 助教
民谷栄一   (現)大阪大学大学院 工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 教授
岡本隆之   (独)理化学研究所 河田ナノフォトニクス研究室 先任研究員
梶川浩太郎  (現)東京工業大学大学院 総合理工学研究科 教授
高原淳一   (現)大阪大学大学院 工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 教授
福井萬壽夫  (現)徳島大学 理事・副学長

執筆者の所属表記は,注記以外は2006年当時のものを使用しております。

目次

第1章 入門:伝播型表面プラズモンと局在型プラズモン
1. はじめに
2. 金属の誘電関数(負の誘電率とは?)
3. 伝播型表面プラズモン
4. 局在型プラズモン
5. 電場増強効果

【合成と色材としての応用編】
第2章 金ナノ粒子のボトムアップ作製法
1. はじめに
2. 還元試薬による金ナノ粒子作製法
2.1 クエン酸を利用した作製法
2.2 強い還元剤(NaBH4,NH2NH2)を利用した作製法
2.2.1 界面活性剤を保護剤とした作製法
2.2.2 含硫黄化合物を保護剤とした作製法
2.3 りん化合物を利用した作製法
2.4 アルコール還元による作製法
3. 紫外線還元による金ナノ粒子作製法
4. 超音波還元による金ナノ粒子作製法
5. 最近のトピックス
5.1 銀ナノ粒子の形状制御
5.2 形状防御された銀ナノ粒子を鋳型とする金ナノ粒子の作製
5.3 金ナノ粒子の形状制御

第3章 金属ナノ粒子の粒径制御・二次元構造制御
1. はじめに
2. 金属ナノ粒子の粒径制御
3. 金属ナノ粒子の二次元構造制御
3.1 溶媒乾燥による自己組織化二次元超格子の形成
3.2 配位子間相互作用を利用した二次元超格子の形成
3.3 有機・無機テンプレートを利用した一次元・二次元超格子の形成
3.4 三次元格子の形成
4. 将来展望と謝辞

第4章 金ナノロッドの合成・特性と応用展開について
1. 金ナノロッドとは?
2. 合成方法
3. 電気化学的合成法
4. 光合成法(化学還元+光照射)
5. 化学還元法
6. 金ナノロッド塗料化
7. 金ナノロッドフィルム特性
8. 導電性
9. まとめ
10. おわりに

第5章 色材分野における金属ナノ粒子の最近の開発動向
1. はじめに
2. 金ナノ粒子の発色のメカニズム
3. 金属ナノ粒子の調製法
4. 金ナノ粒子の高耐熱性赤色着色剤としての応用
5. 金,銀ナノ粒子の塗料用着色材料としての応用
6. 複合金属ナノ粒子の開発による色域の拡大
7. 複合金属ナノ粒子による高意匠の発現(リクルゴス酒杯の意匠の再現)
8. おわりに

【金属ナノ構造の設計と応用編】
第6章 金ナノ構造電極の設計と光電変換への応用
1. はじめに
2. 表面プラズモンを用いた色素励起と光電変換
3. 三次元金ナノ構造を用いた光電変換と表面プラズモンの効果
4. おわりに

第7章 金属-半導体ナノ複合材料とプラズモン光電気化学
1. はじめに
2. プラズモン誘起電荷分離
3. 金属-半導体ナノ複合材料の作製
4. 光電変換への応用
5. 光触媒への応用
6. パターニングへの応用
7. マルチカラーフォトクロミズムへの応用
8. 光電気化学アクチュエータ/光変形材料への応用
9. おわりに

第8章 固体表面における金属2次元配列微小構造制御と局所場情報取得
1. はじめに
2. 金属薄膜の溶液内非接触光・電場変形による光学特性変化と局所分子情報取得
3. 二次元規則配列金属微粒子構造の作製と多点同時分子分光情報取得の試み
3.1 二次元規則配列金属微粒子構造の作製
3.2 二次元規則配列金属微粒子構造におけるSERS応答
4. 分子配向制御可能な単一SERS活性サイトの位置選択的形成
5. おわりに

第9章 電気ビームリソグラフィを用いる金属ナノ規則構造の設計・作製とその光学特性
1. はじめに
2. 電子ビームリソグラフィによる金属ナノ構造体の作製
3. 金属ナノ構造の電子顕微鏡観察による評価
4. 微細加工により作製した金属ナノ構造体の光学特性
5. おわりに

【ナノ粒子の光・電子特性編】
第10章 単一金属ナノ粒子の光散乱特性:数値計算による実験の評価
1. はじめに
2. レイリー散乱とミー散乱
3. 数値計算との比較に基づくサイズ効果を含んだ近似式
4. プラズマ共鳴現象の数値計算
5. 実験との比較
6. おわりに

第11章 金属ナノ構造におけるプラズモン波動関数の近接場イメージング
1. プラズモンの光学的イメージング
2. 近接場光学顕微鏡
3. 金属ナノ微粒子のプラズモンモードのイメージング
3.1 近接場透過イメージング
3.2 近接場二光子励起イメージング
4. 金属ナノ微粒子集合体における電場の空間分布
5. おわりに

第12章 単一金ナノ粒子の光散乱スペクトル
1. はじめに
2. 金コロイド溶液吸収と散乱スペクトル
3. 単一金ナノ粒子の光散乱スペクトル
3.1 単一ナノ粒子顕微光散乱分光
3.2 サイズ依存性
3.3 ナノ粒子の局所環境,表面吸着効果
3.4 単一ナノ粒子分光・形状測定
4. おわりに

【センシング応用技術編】
第13章 単一分子感度ラマン分光法の基礎
1. はじめに
2. 単一分子感度ラマンのための接合部の重要性
2.1 Blinkingとそのオリジン
2.2 弾性散乱に現れる単一分子吸着の証拠
2.3 特異的な発光スペクトル
3. 単一分子金属ナノ構造形成
4. 今後の展望

第14章 単一分子感度ラマン分光技術のデバイス化及び生体分子分析への応用
1. はじめに
2. 金属ナノ構造形成法
2.1 ナノ粒子リソグラフィ(Nanosphere Lithography,NSL)法
2.2 電子ビームリソグラフィ法
2.3 その他の方法
3. 応用
3.1 NSL,NSOL
3.2 その他の金属ナノ構造の利用
4. まとめと今後の展望
4.1 巨大増強メカニズムの解明と金属ナノ構造形成
4.2 バイオ系への適用

第15章 金ナノロッドのフォトニクス

第16章 表面プラズモン共鳴近赤外分光センシング
1. はじめに
2. 近赤外分光法
3. 表面プラズモン共鳴近赤外分光法
4. 表面プラズモン共鳴の屈折率応答と吸収応答
5. 金ナノ薄膜と近赤外吸収応答
6. 従来のNIRスペクトルとの比較
7. 局在表面プラズモンとSPR-NIR分光法
8. おわりに

第17章 表面増強赤外分光
1. はじめに
2. SEIRAの特徴と増強機構
3. 実験方法
4. SEIRASの応用
4.1 電極界面の水分子の挙動
4.2 Pt電極表面におけるメタノールとギ酸の電解酸化
4.3 表面反応の時間分解測定
4.4 その他の応用
5. おわりに

【バイオセンシング応用技術編】
第18章 バイオセンシングのためのナノスペースプラズモン増強蛍光分析
1. はじめに
2. プラズモン電場と光応答性分子の相互作用
2.1 ポルフィリンSAMの表面プラズモン増強励起
2.1.1 伝播性表面プラズモンによる励起
2.1.2 局在表面プラズモンによる励起
2.2 プラズモン励起のボトルネック
3. 金属ナノ構造体に局在した表面プラズモン電場による蛍光励起とその応用
3.1 ナノアイランド
3.2 マイクロ・ナノプリズムアレイ
3.3 ナノウェル
3.3.1 蛍光消光抑止戦略としてのナノウェル
3.3.2 ナノスペース蛍光分析の実証
4. おわりに

第19章 金ナノ粒子を用いるDNAバイオセンシング
1. はじめに
2. 金ナノ粒子とバイオロジーの接点
3. SNPs解析の現状
4. DNA担持金ナノ粒子「架橋型凝集反応」
5. DNA担持金ナノ粒子「非架橋型凝集反応」
6. 金ナノ粒子と表面プラズモン共鳴バイオセンサー
7. おわりに

第20章 表面プラズモン共鳴(SPR)センサとセンシングナノ構造
1. SPRセンサの原理と測定方法
1.1 SPRとは
1.2 測定方法
2. バイオセンシングへの応用
2.1 生体分子認識メカニズムの導入
2.2 高感度化
3. センシングナノ構造の構築
3.1 パターニング
3.2 局在表面プラズモンとの結合

第21章 プラズモンバイオチップ
1. はじめに
2. プラズモンバイオチップの作製および諸特性
3. プラズモンバイオチップによる非標識生体分子相互作用の検出
3.1 抗原・抗体反応の非標識検出および定量
3.2 プラズモンバイオチップを用いたDNAの非標識検出および定量
4. おわりに

【光学的応用編】
第22章 プラズモニック結晶と応用
1. はじめに
2. プラズモニック結晶
3. プラズモニック結晶における放射制御
3.1 単一界面の場合
3.2 金属薄膜の場合
4. 共鳴透過
5. 深い格子によるバンドの平坦化
6. プラズモニック結晶による蛍光増強
7. プラズモニック結晶の有機ELへの応用
8. おわりに

第23章 表面プラズモンと2次の非線形光学効果
1. はじめに
2. 非線形光学効果と電気光学効果
3. 表面プラズモンによる電場増強
4. SPR増強光第2高調波発生
4.1 電場増強度とSH光強度
4.2 伝播型SPR増強SHG
4.3 LPR増強SHG
5. SPR増強EO効果
6. おわりに

第24章 プラズモニック導波路
1. はじめに
2. プラズモン導波路の構造
2.1 基本構造と光閉じ込めの原理
2.2 2次元光波伝送路
2.2.1 負誘電体表面
2.2.2 負誘電体薄膜(負誘電体コア平板導波路)
2.2.3 負誘電体ギャップ(負誘電体クラッド平板導波路)
2.3 1次元光波伝送路
2.3.1 円柱型負誘電体導波路(負誘電体ロッド)
2.3.2 チャネル型およびエッジ型負誘電体導波路
2.4 0次元光波伝送路
3. 結合器と光源
4. 応用
4.1 負誘電体材料と周波数特性
4.2 伝送距離
4.3 ナノ光デバイスへの応用
5. おわりに

第25章 プラズモンナノ材料とプラズモニクス
1. はじめに
2. センサー
2.1 全反射減衰(ATR)型
2.2 光ファイバ型
2.3 ラマン散乱型
3. 導波路
3.1 ストライプ型
3.2 細線型
3.3 溝型
3.4 楔型
3.5 ギャップ型
3.6 配列金属微粒子型
4. 光デバイス
4.1 SP励起デバイス
4.2 エネルギー増大デバイス
4.3 光情報処理デバイス
4.4 その他
5. 展望
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