Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-Science on metal nanoparticles/局在表面プラズモン－金属ナノ粒子の科学
Since the conduction electron of a metal is not bound to a specific cation, it can move freely in the metal in response to an external electric field. This is the reason for the high electrical conductivity of metals. Even for electromagnetic waves, electrons can follow the AC electric field at frequencies below the plasma frequency, which produces the shielding effect of the metal. Here, consider the case where light in the visible range is irradiated onto metal fine particles having a size of about the wavelength or less. In this case, conduction electrons cannot move indefinitely, and in addition to the electrostatic attraction due to the photoelectric field, the electrostatic attraction caused by the shift of the centers of the overall positive charges (cations) and negative charges (conduction electron cloud) is used as the binding force. I will receive it. Since this binding force is proportional to the displacement distance, it acts like a spring connecting positive ions and electron clouds. The spring has a natural frequency and resonates with an external field having a specific frequency. This is LSPR. Fine particles of gold and silver have this natural vibration in the visible range, and therefore they are colored./金属の伝導電子は特定の陽イオンに束縛されていないので，外部電場に応答して金属中を自由に動くことができる。これが金属の高い電気伝導の理由である。電磁波に対してもプラズマ周波数以下の周波数であれば電子は交流電場に追随可能であり，これが金属の遮蔽効果を生む。ここで，可視域の光が波長程度あるいはそれ以下の大きさの金属微粒子に照射される場合を考えてみる。この場合，伝導電子はどこまでも動けるわけではなく，光電場による静電引力の他に全体の正電荷（陽イオン）と負電荷（伝導電子雲）の中心のずれによって生じる静電引力を拘束力として受けることになる。この拘束力は変位距離に比例するため，陽イオンと電子雲を結ぶバネのように働く。バネには固有振動数があり，特定の周波数を持つ外場に対して共鳴を起こす。これがLSPRである。金や銀の微粒子はこの固有振動を可視域に持つため，呈色する。
By irradiating an electromagnetic wave having a frequency equal to the resonance frequency, the electromagnetic wave is converted into vibrations of conduction electrons on the metal particles. This means that the energy of electromagnetic waves is concentrated in a minute area. Since it is possible to concentrate energy below the diffraction limit, nanotechnology using this has been opened up./共鳴周波数に等しい周波数を持つ電磁波を照射することで，電磁波が金属粒子上の伝導電子の振動へと変換されます。これは，電磁波のエネルギーが微小領域に集中することを意味します。回折限界以下にエネルギーを集中させることが可能となるため，これを用いたナノテクノロジーが拓かれました。
What is nanoantena?/ナノアンテナとは?
The nanoparticles are randomly dispersed in stained glass and faceted glass. So what happens when nanoparticles are arranged periodically? Nanofabrication technology can be used to create a neat array of nanoparticles. At this time, if the period is set to 400-700 nm, which is the same as the wavelength of visible light, the surface plasmon occurs in each particle, and at the same time, the diffraction phenomenon of light according to the period occurs. As a result of both occurring at the same time, the color is beautiful. We are studying the nature and application of this beautiful array structure./ステンドグラスや切子グラス中でナノ粒子はランダムに分散されています。では、ナノ粒子を周期的に並べると何が起こるでしょうか？ナノ加工技術を使うと、ナノ粒子をきれいに並べた構造を作ることができます。このとき、周期を可視光の波長と同じ400-700 nm程度にすると、個々の粒子で表面プラズモンが起こるのと並行して、周期に応じた光の回折現象が起こります。両者が同時に起こる結果、美しく呈色します。私たちは、この美しいアレイ構造の性質と応用について研究しています。
Metal nanoparticles arranged in a triangular lattice. Show different colors depending on the cycle/三角格子状に並べられた金属ナノ粒子。周期により異なる色を示す
Lighting up the future with nanoantenna/ナノアンテナで未来を照らす
One of the characteristics of the array is that light is strongly confined in the array plane. Since a lot of light can be stored in the array plane with a thickness of only 100 nm, this structure can be regarded as a nano-sized light collecting antenna. By combining such a “nano antenna” with a light emitting material, the emission intensity can be increased by one digit or more. We are researching, wondering if this property can be applied to lighting. So far, we have succeeded in increasing the luminous intensity 60 times. This means that the same brightness can be obtained with 1/60 of energy, and if applied to lighting technology, a significant energy saving effect can be expected./アレイの特徴の一つに、光をアレイ平面内に強く閉じ込める性質があります。わずか厚み100 nmしかないアレイ平面に、多くの光を蓄えることができることから、この構造をナノサイズの光捕集アンテナと捉えることもできます。このような“ナノアンテナ”を発光材料と組み合わせると、発光強度を1桁以上高めることができます。私たちは、この性質を照明に応用できないかと考え、研究を進めています。これまでに、発光強度を60倍に高めることに成功しました。これは1/60のエネルギーで同じ明るさが得られることを意味しており、照明技術に応用することで大幅な省エネ効果が期待できます。
As a development target, we keep white LEDs in mind. A typical white LED consists of a combination of a blue LED and a phosphor that shines yellow when illuminated with blue light. White light is obtained by mixing blue that was not absorbed by the phosphor and yellow from the phosphor. In order to further improve the performance of white LEDs, research is progressing from various fields such as improving the performance of blue LEDs, developing new phosphors, or optimizing the spatial arrangement of blue LEDs and phosphors. The conventional technology is almost exhausted and is in a state of peaking. We are continuing our research aiming to realize a highly efficient white LED that cannot be achieved by conventional technology by combining a nanoantenna with a phosphor. In order to achieve white, not only simply increasing the emission intensity, but also advanced issues such as adjusting the emission color (how close to a natural white) and reducing color unevenness (how to achieve a uniform white). However, I would like to clear these one by one./開発ターゲットとして、白色LEDを念頭に置いています。典型的な白色LEDは青色LEDと青色光の照射で黄色に光る蛍光体の組み合わせからなり、蛍光体に吸収されなかった青色と蛍光体からの黄色が混ざることで白色光が得られます。白色LEDのさらなる高性能化に向けて、青色LEDの高性能化、新規蛍光体の開発、あるいは青色LEDと蛍光体の空間的配置の最適化など多方面からの研究が進んでいますが、従来技術はほぼ研究し尽くされ、頭打ちの状況にあります。私たちは、ナノアンテナを蛍光体と組み合わせることで、従来技術では到達できない高効率白色LEDの実現を目指し研究を続けています。白色を実現するには、単純に発光強度を高めるだけでなく、発光色の調整（いかに自然な白色に近づけるか）や色むらの低減（いかに均一な白色を実現するか）など、高度な課題がありますが、これらを一つ一つクリアしていきたいと考えています。発光強度60倍を実現京大プレスリリースのページへ ‣ナノアンテナと蛍光基板との組み合わせ京大プレスリリースのページへ さらに近年（2021年5月）ではナノアンテナを様々な基板に貼って使えるシールにして、応用範囲を広げています。
金属ナノ粒子とナノアンテナ
上記の説明スライドです