慶應義塾研究者情報データベース

経歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 1989年04月

  -

  1994年03月

  大学助手(理工学部化学科)

• 1994年04月

  -

  1997年03月

  大学専任講師(理工学部化学科)

• 1997年04月

  -

  2001年03月

  大学助教授(理工学部化学科)

• 2001年04月

  -

  継続中

  大学教授(理工学部化学科)

• 2001年04月

  -

  継続中

  大学院理工学研究科委員

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学歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 1984年03月

  東京大学, 理学部, 化学科

  大学, 卒業

• 1986年03月

  東京大学, 理学研究科, 化学専攻

  大学院, 修了, 修士

• 1989年03月

  東京大学, 理学研究科

  大学院, 修了, 博士

学位 【 表示 ／ 非表示 】

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• 理学博士, 東京大学, 課程, 1989年03月

職務上の実績に関する事項 【 表示 ／ 非表示 】

職務上の実績に関する事項 【 表示 ／ 非表示 】

• 2001年10月

  -

  2007年09月

  大学学生総合センター委員(矢上支部)

• 2006年04月

  -

  2008年03月

  大学院理工学研究科専修主任(機能デザイン科学)

• 2008年04月

  -

  2009年09月

  大学理工学部企画室会議委員

• 2009年04月

  -

  2011年03月

  大学理工学部学習指導副主任(化学科)

• 2010年04月

  -

  2013年09月

  大学理工学部企画室会議委員

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研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

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• ナノテク・材料 / 基礎物理化学 （Physical Chemistry）

研究テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

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• 精密ナノクラスター集積物質科学, 

  2009年

  -

  2015年

• 科学技術振興機構　戦略創造プログラム(CREST) 研究課題「次世代光磁気材料を指向したナノデザイン制御」, 

  2002年

  -

  2007年

  　研究概要を見る

  本研究では、多元的な化学組成の制御を通じて電子構造をデザインした複合ナノクラスターを創成し、このクラスターを機能単位とする二次元系ナノクラスター物質を、ナノメートルオーダーで周期的にデザイン制御した固体表面上への選択的なソフトランディングによって構築します。ナノデザイン制御されたクラスター物質での電

著書 【 表示 ／ 非表示 】

著書 【 表示 ／ 非表示 】

• Electronic properties of transition metal-benzene sandwich clusters

  Masubuchi T., Nakajima A., Theoretical Chemistry for Advanced Nanomaterials: Functional Analysis by Computation and Experiment, 2020年01月

  　概要を見る

  Organometallic clusters composed of transition metal atoms and benzene molecules have been topics of great interest from both fundamental and technological points of view. In this chapter, we review the progress in the physical chemistry of transition metal-benzene clusters. The intrinsic properties of transition metal-benzene clusters as a function of cluster size are investigated by gasphase experiments, often in combination with quantum chemical calculations. In particular, vanadium-benzene clusters denoted VnBzm, showing magic numbers at m = n + 1, n, and n – 1, are characterized to possess multiple-decker sandwich structures, where vanadium atoms and benzene molecules are alternately piled up. Moreover, the discovery of such multiple-decker formation is a cornerstone in bottom-up approaches of molecular magnetism. The interplay of mass spectrometry, laser spectroscopies, and density functional calculations reveals that multiple-decker VnBzm clusters exhibit monotonic increase in magnetic moment with the number of layers. Anion photoelectron spectroscopic studies allow direct observations of the geometric and electronic structures of sandwich clusters and their anions. Major progress in this direction includes the recent characterization of tilted multipledecker sandwich cluster anions composed of manganese atoms and benzene molecules. The sandwich clusters with high-spin characteristics will hopefully be exploited as building blocks in advanced electronic and magnetic nanomaterials via controlled assembly.

  • Access to Document (DOI)

• Formation of superatom monolayer using nanocluster ion source based on high-power impulse magnetron sputtering

  Nakajima A., Encyclopedia of Interfacial Chemistry: Surface Science and Electrochemistry, 2018年01月

  　概要を見る

  The assembled monolayer of superatomic nanocluster ions synthesized in the gas phase is formed with monodispersive immobilization of Ta atom-encapsulated Si16 cage superatom (Ta@Si16) with an intensive ion source based on high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). Scanning tunneling microscopy and spectroscopy have demonstrated that superatom cations of Ta@Si16+ can be densely immobilized on C60-terminated surfaces while retaining their cage shape by forming charge transfer (CT) complexes ((Ta@Si16)+C60-) on the surfaces. Its chemical states of Ta@Si16 deposited on an electron acceptable C60 fullerene film were evaluated by X-ray photoelectron spectroscopies (XPS). XPS results for Si, Ta, and C elements showed that Ta@Si16 combines with a single C60 molecule to form (Ta@Si16)+C60-. The high thermal and chemical robustness of the superatomic CT complex has been revealed by the XPS measurements conducted before and after heat treatment and oxygen exposure. The formation of robust superatom monolayer with HiPIMS demonstrates that the superatoms including metal-encapsulating silicon cage superatoms have a promising potential to be utilized for building blocks of novel functional nanomaterials.

• 最新 実用真空技術総覧　クラスタービーム生成

  中嶋 敦, ㈱産業技術サービスセンター, 2017年

• シリコンフラーレン

  中嶋 敦, 慶應義塾機関紙　三田評論, 2014年

• 現代界面コロイド科学の事典　10.4節「金属ナノクラスター」

  中嶋 敦, 丸善, 2010年

  担当範囲: 240-241

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

論文 【 表示 ／ 非表示 】

• Tailoring Superatomic Stability with Transition Metals in Silicon Cages: Shrinking to M@Si<inf>15</inf> (M = Re, Os, Ir)

  Ichikawa T., Terasaka K., Sasaki A., Nakajima A.

  Journal of Physical Chemistry Letters 15 （ 46 ） 11678 - 11686 2024年11月

  　概要を見る

  The design of materials with intriguing electronic properties is crucial for advancing nanoscale technologies, where precise control over atomic structure and electronic behavior is essential. Metal-encapsulating silicon cage superatoms (SAs) provide a new paradigm for molecular-scale material design, allowing fine-tuning of both structure and electronic characteristics. The formation of superatoms mimicking halogens, noble gases, and alkali metals has been well-studied, particularly with M@Si16, where early transition metals from groups 3 to 5 stabilize within a Si16 cage, achieving a 68-electron configuration. For late transition metals with excess electrons, a Si15 cage offers enhanced stability by fulfilling the 68-electron rule with one fewer Si atom. This research synthesizes Si15 cage-SAs with rhenium (Re) from group 7 and iridium (Ir) from group 9 on p-type and n-type organic substrates. The stability of Re@Si15 and Ir@Si15 is evaluated via oxidative reactivity with X-ray photoelectron spectroscopy and theoretical calculations, including osmium (Os) from group 8. Re@Si15-, Os@Si150, and Ir@Si15+ exhibit superatomic behaviors similar to halogens, noble gases, and alkali metals due to the 68-electron shell closure. Among them, Re@Si15- on p-type organic substrates shows superior electronic and geometric properties. These findings advance our understanding of M@Sin systems for transition metals, addressing longstanding questions about their properties at n = 15 and 16.

  • Access to Document (DOI)

• Photoemission spectroscopy and microscopy for Ta@Si<inf>16</inf> superatoms and their assembled layers

  Shibuta M., Ohta T., Kamoshida T., Yamagiwa K., Tsunoyama H., Inoue T., Masubuchi T., Nakajima A.

  Nanoscale 16 （ 47 ） 21837 - 21846 2024年10月

  ISSN  20403364

  　概要を見る

  Superatoms (SAs) with specific compositions have the potential to significantly advance the field of nanomaterials science, leading to next-generation nanoscale functionalities. In this study, we fabricated assembled layers with tantalum metal-atom encapsulating silicon cage (Ta@Si16) SAs on an organic C60 substrate through deposition, and we characterized their electronic and optical properties by photoelectron spectroscopy and microscopy. The alkaline nature of Ta@Si16 SAs reveals their electronic behaviors, such as charge transfer and electromagnetic near-field sensing, through two-photon photoemission (2PPE) spectroscopy and microscopy with a femtosecond laser. The evolution of the work function for Ta@Si16 SAs on C60, observed by 2PPE spectroscopy, demonstrates charge transfer complexation between the topmost C60 layer and the first Ta@Si16 layer, consistent with the electron-donating alkaline characteristics of Ta@Si16 SAs. Specifically, a small amount of Ta@Si16 SA deposition leads to a dramatic increase in 2PPE intensity, attributable to electromagnetic near-field enhancements, suggesting applications as sensitizers for nonlinear imaging in photoemission microscopy. For the assembled Ta@Si16 SA layers, a plasmonic response of hνp = 17.9 eV is spectroscopically identified, including their valence and conduction band structures, and the plasmonic energetics are discussed in the context of metal doping in bulk silicon.

  • Access to Document (DOI)

• Geometric and Electronic Properties of P Atom-Doped Al Nanoclusters: Alkaline-like Superatom of P@Al<inf>12</inf>

  Akutsu M., Koyasu K., Miyajima K., Mitsui M., Inoue T., Nakajima A.

  Journal of Physical Chemistry A 128 （ 32 ） 6648 - 6657 2024年08月

  ISSN  10895639

  　概要を見る

  The geometric and electronic characteristics of phosphorus-atom doped aluminum nanoclusters, AlnPm (n = 7-17, m = 1 and 2), were investigated through a combination of experiments and theoretical calculations. The size dependences of the ionization energy (Ei) for AlnPm NCs exhibit a local minimum of 5.37 eV at Al12P1, attributed to an endohedral P@Al12 superatom (SA). This SA originates from an excess electron toward the 2P shell closing (40e), coexisting with an exohedral isomer featuring a vertex P atom. The stability of the endohedral P@Al12 is further enhanced in its cationic state compared to the exohedral isomer, when complexed with a fluorine (F) atom, forming an SA salt denoted as P@Al12+F- with an elevated Ei ranging from 6.42 to 7.90 eV. In contrast, for the anionic Al12P1-, the exohedral form is found to be more stable than the endohedral one using anion photoelectron spectroscopy and calculations. The geometric and electronic robustness of neutral P@Al12 SAs against electron donation and acceptance is discussed in comparison to rare-gas-like Si@Al12 SAs.

  • Access to Document (DOI)

• Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) Measurements on Alkali Metal Superatoms of Ta-Atom-Encapsulated Si<inf>16</inf> Cage

  Inoue T., Ina T., Masai H., Kondo N., Matsui F., Kinoshita T., Nakajima A.

  Journal of Physical Chemistry Letters （American Chemical Society）  15 （ 20 ） 5376 - 5381 2024年06月

  研究論文（学術雑誌）, 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り

  　概要を見る

  The silicon cage nanoclusters encapsulating a tantalum atom, termed Ta@Si16, exhibit characteristics of alkali metal “superatoms (SAs)”. Despite this conceptual framework, the precise structures of Ta@Si16 and Ta@Si16+ remain unclear in quantum calculations due to three energetically close structural isomers: C3v, Td, and D4d structures. To identify the geometrical structure of Ta@Si16 SAs, structural analysis was conducted using extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) with a high-intensity monochromatic X-ray source, keeping anaerobic conditions. Focusing on “superordered” films, which constitute amorphous thin films composed solely of Ta@Si16 SAs, this analysis preserved locally ordered structures. Spectral comparisons between experimental and simulated Ta L3-edge EXAFS unveil that Ta@Si16 SAs on a substrate adopt a C3v-derived structure, while Si K-edge EXAFS introduces spectral ambiguity in structural identifications, attributed to both intracluster and intercluster scatterings. These findings underscore the significance of locally ordered structure analyses in understanding and characterizing novel nanoscale materials.

  • Access to Document (DOI)

• Localized surface plasmon resonances of size-selected large silver nanoclusters (n = 70-100) soft-landed on a C<inf>60</inf> organic substrate

  Inoue T., Mizoguchi K., Tokita M., Shibuta M., Nakaya M., Eguchi T., Nakajima A.

  Physical Chemistry Chemical Physics 26 （ 23 ） 16597 - 16602 2024年05月

  ISSN  14639076

  　概要を見る

  Silver nanoclusters (Agn NCs) exhibit a remarkable optical property known as localized surface plasmon resonance (LSPR) in the visible to ultraviolet wavelengths. In this study, we address the size gap in LSPR responses between small NCs and nano-islands by synthesizing large Agn NCs with a countable number of atoms (n = 70-100) using a magnetron sputtering method, which were precisely size-selected and soft-landed onto substrates. The monodispersed Agn NCs were immobilized on a pre-decorated substrate with fullerene (C60) molecules, and their LSPR behaviors were characterized using two-photon photoemission (2PPE) spectroscopy. Due to the distinct polarization selectivity of incident light associated with LSPR, the intensity ratio between p- and s-polarized lights (Ip/Is) in 2PPE spectroscopy serves as a reliable indicator of LSPR and its structural correlations. From n = 70 to 100, the Ip/Is value gradually decreases as the cluster size increases. This decrease is attributed to the enhancement of s-polarized light (Is), indicating that large Agn NCs on a C60 substrate undergo a deformation from spherical to flattened geometries, particularly above approximately n = 55.

  • Access to Document (DOI)

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KOARA（リポジトリ）収録論文等 【 表示 ／ 非表示 】

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• 金属内包シリコンケージナノクラスター超原子の電子機能薄膜の創製

  中嶋, 敦

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学）  2021年

• ケージ状ナノクラスター複合薄膜の創製とその熱電変換特性の解明

  中嶋, 敦

  科学研究費補助金研究成果報告書 2019年

• 機能ナノクラスター単層膜の複合界面制御とその電子物性の解明

  中嶋, 敦

  科学研究費補助金研究成果報告書 2018年

• 光導波路分光法による担持有機金属ナノクラスターの光物性の解明

  中嶋, 敦

  科学研究費補助金研究成果報告書 2010年

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

• 大電力パルスマグネトロンスパッタを用いたナノクラスター超原子の生成技術

  Tsunoyama Hironori, Tona Masahide, Tsukamoto Keizo, Nakajima Atsushi

  Journal of the Vacuum Society of Japan 60 （ 9 ） 352 - 361 2017年

  記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）, 共著,  ISSN  1882-2398

  　概要を見る

  <p>Intensive ion source for single-size nanoclusters was developed on the basis of high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) technique combined with a low-pressure, low-temperature gas flow reactor. The nanocluster source exhibits superior characteristics originating from pulsed, high-power sputtering compared to conventional direct-current sputtering; (1) enhanced ion intensities, (2) fascicle tuning of nanocluster sizes, and (3) enhanced selectivity of stable, magic nanoclusters. The metallic (silver, platinum, and palladium) and binary (transition-metal and silicon) nanocluster ions in the size range of several to one hundred atoms can be generated with ion current of 100 pA to 10 nA (10⁸ to 10¹¹ nanoclusters/sec). The growth mechanism of nanoclusters in the source was also explained by the nucleation theory.</p>

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

• Monodispersed Immobilization and Island Formation of M@Si16 Superatom

  中嶋 敦

  The Cluster Surface Interactions 2016 Workshop （Argonne National Laboratory） , 

  2016年06月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

• Alkali-Like Binary Superatom of a Ta-Encapsulating Si16 Cage

  中嶋 敦

  Symposium on Size Selected Clusters (S3C) 2016 （Davos, Switzerland） , 

  2016年03月

  , 

  口頭発表（基調）

• Nanocluster superatom formation using ion source based on high-power impulse magnetron sputtering

  NAKAJIMA ATSUSHI

  Pacifichem 2015 （Honolulu, Hawaii, USA） , 

  2015年12月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

• Formation of binary superatom nanocluster monolayer

  NAKAJIMA ATSUSHI

  XXIV International Materials Research Congress (IMRC) on Clusters & Nanostructures （Cancun, Mexico） , 

  2015年08月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

• Formation of Superatom Monolayer Using Nanocluster Ion Source Based on High-Power Impulse Magnetron Sputtering

  NAKAJIMA ATSUSHI

  2015 Gordon Research Conference (GRC) “Clusters and Cluster Assembled Materials” （Girona, Spain） , 

  2015年07月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

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競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

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• 次世代光磁気材料を指向したナノデザイン制御

  2002年10月

  -

  2007年09月

  慶應義塾大学、神戸大学、大阪大学、広島大学、University of Chicago, Argonne National Laboratory, 戦略的基礎研究推進事業（CREST), 補助金,  未設定

• 新奇な光物性をもつサブナノ集合体の開発

  1997年07月

  -

  2003年03月

  慶應義塾大学、神戸大学、東北大学、分子科学研究所, 日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業　理工領域－12　光科学, 補助金,  未設定

  　研究概要を見る

  1. サブナノ半導体の発光機構とその応用　シリコン、ゲルマニウムなどの純半導体物質によるナノクラスター・ナノ結晶の光学特性の定量的な評価を気相孤立系、薄膜マトリックス系の両面から進め、シリコンナノクラスターおよびナノ結晶の基礎物性を解明し、シリコン・ゲルマニウム酸化物による可視発光機構を明らかにした。マイクロキャビティーによるシリコンナノ粒子の発光制御を行なうとともに異原子をドープしたシリコンナノクラスターの新奇ナノ構造体の生成、および希土類金属原子ドープしたシリコンナノ結晶において「光増感剤」としてのシリコンナノ結晶の機能化を実証した。2. 新奇な有機金属クラスター分子の創成　金属原子と有機分子をハイブリッド化した有機金属ナノクラスターでは、低次元ネットワーク構造さらにはコアシェル構造の多様な有機金属複合クラスターを見出し、その電子物性や磁気特性の解明から有機金属ナノクラスターが機能ナノ構造単位であることを明らかにした。これらのナノクラスターを組成選択的に蒸着する技術を、アルゴン薄膜やアルカンチオール自己組織化膜による新しいソフトランディング技術として世界に先駆けて確立し、優れた実用特許技術を提案した。3. 水素結合を介した超分子ネットワークの秩序化と光スイッチング　負イオン化法および超高圧パルスノズル法とを共有開発手法として、水素結合程度の弱い分子間力で形成されたネットワーク型分子ナノクラスターの生成法を新たに確立し、電子物性の特異化を明らかにするとともに、電子励起状態の水素移動ダイナミクスの精密解析に成功した。この成果は分子孤立系と液体凝縮系との真の橋渡しに成功したもので、分子ナノクラスターの基礎物性の解明と将来の光スイッチング素子としてのポテンシャルを示した。以上のように、本プロジェクトではナノクラスター・ナノ結晶という1ナノメートル内外のサブナノ物質の制御的創成法を確立させ、このサブナノ集合体での電子の動きと構造変化を明らかにした。

• 磁気ボトル技術の研究

  1999年04月

  -

  2004年03月

  慶應義塾大学, 科学技術振興調整費, 補助金,  未設定

• ナノ生体触媒の創成を指向したニトロゲナーゼ酵素の鉄－硫黄活性中心のデザイン制御

  2003年04月

  -

  2006年03月

  慶應義塾大学, 科学研究費補助金(文部科学省・日本学術振興会）, 補助金,  未設定

• 気相多元系合金クラスターの基板担持による触媒機能と電子物性の研究

  2001年04月

  -

  2003年03月

  科学研究費補助金(文部科学省・日本学術振興会）, 補助金,  未設定

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知的財産権等 【 表示 ／ 非表示 】

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• ナノクラスター生成装置

  出願日： 2013－112995  2013年05月 

  特許権, 共同

• 多重レーザー照射による液滴試料の粉砕法

  出願日： 2012-162131  2012年07月 

  特許権, 共同

• “マイクロミキサー、マイクロミキサーエレメント及びその製造方法”

  出願日： 2012-0989620  2012年04月 

  特許権, 共同

• ナノクラスター分散液、ナノクラスター膜、ナノクラスター分散体の製造方法およびナノクラスター分散液の製造装置

  出願日： 2015－160680   

  特許権, 共同

• マイクロミキサー、マイクロミキサーエレメントおよびその製造方法

  出願日： 2016-033117   

  特許権, 共同

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受賞 【 表示 ／ 非表示 】

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

• 令和5年度　文部科学大臣表彰　科学技術賞　研究部門

  2023年04月, 文部科学省, 複合ナノクラスター精密担持法によるナノ機能表面化学の研究

  受賞区分： その他

• フンボルト賞

  2020年05月, アレクサンダー・フンボルト財団

  受賞区分： 国内外の国際的学術賞

• 分子科学会賞

  2018年08月, 分子科学会, 複合ナノクラスター科学の開拓－気相化学からナノ機能表面化学へ

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

• 田中貴金属研究財団 シルバー賞

  2017年03月

  受賞区分： 出版社・新聞社・財団等の賞

• 日本化学会学術賞

  中嶋 敦, 2009年03月, 社団法人　日本化学会, 複合クラスターを用いたナノスケール物質群の創製とその電子物性の解明

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

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担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

• 化学統計熱力学（物理化学基礎第１）

  2024年度

• 化学統計熱力学

  2024年度

• 化学統計熱力学演習

  2024年度

• 化学輪講

  2024年度

• 量子統計化学（物理化学第２）

  2024年度

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所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

• 分子科学会, 

  2004年09月

  -

  継続中

• ナノ学会, 

  2004年05月

  -

  2020年03月

• 日本物理学会, 

  1984年03月

  -

  継続中

• 日本化学会, 

  1983年10月

  -

  継続中

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

• 2020年06月

  -

  継続中

  理事, 日本化学会

• 2008年09月

  -

  2010年08月

  会長, 分子科学会

• 2006年08月

  -

  継続中

  連携会員, 日本学術会議

• 2004年09月

  -

  2006年08月

  委員長, 分子科学研究会

• 2004年05月

  -

  2020年03月

  理事, ナノ学会

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