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发布时间：2023-11-20 02:07:52
杨修春等：影响贵金属纳米颗粒表面等离子体共振因素评述 影响贵金属纳米颗粒表面等离子体共振因素评述 杨修春，刘会欣，李玲玲，黄 敏，赵建富 （同济大学材料科学与工程学院，上海２０００９２） 摘要： 贵金属纳米颗粒具有可调的共振吸收谱，被 光学吸收系数可以用Ｍｉｅ理论的偶极近似（准静态近 似）来描述： 广泛用于光能传送器、近场扫描光学显微学、表面增强 谱学、化学和生物传感器等。系统地评述了颗粒尺寸、 颗粒分布、颗粒形状、颗粒体积分数、颗粒组成和颗粒 Ｋ一 电常数的实部和虚部。 （ｅ１＋ ）彘２ｅ ＋￡２ ㈩ 结构等因素对金属纳米颗粒等离子体共振吸收性能的 式（１）中， 为光波长。＿厂为金属颗粒在基体中的 体积分数，ｅ 为基质的介电常数，ｅ 、ｅ 为金属颗粒介 我们知道，金属系统的光学性能依赖于传导电子 和束缚电子的响应。对于金属体材料，传导电子可以 被看作准自由电子，可以按照Ｄｒｕｄｅ模型来计算其介 电常数ｅ （∞）Ｄ ７３： ｅ （∞）一卜 ０ ９ １－Ｚ／ｒ ０影响，有利于深入理解等离子体共振吸收的物理实质 和实现对等离子体共振频率的调控。 关键词： 贵金属；纳米颗粒；等离子体共振吸收；影响 因素 中图分类号：ＴＢ３３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—９７３１（２０１０）０２—０３４１—０５ １ 引 言 早在罗马时代，罗马人就利用金属纳米颗粒作为 颜料掺杂于玻璃中，制备出闻名的莱克格斯（Ｌｙｃｕｒ— ｇｕｓ）杯。该杯至今仍保存在大英博物馆中，在反射光 叫，， 一ｅｆ＋趋；（２） 其中： ｅ｛一 一（ ）ｅ５＝＝＝ 南㈤ 下，该玻璃奖杯为绿色，在透视光下，该玻璃奖杯为红 色＿１］。１８５７年，Ｍｉｃｈａｌ Ｆａｒａｄａｙ＿２ 系统地研究了金胶 式中，∞为光子频率，ｃｕ。一（ ｅ ／￡。ｍ） ／ 为自由电 子等离子体频率， 和ｍ分别为导带电子密度和有效 质量，Ｚ＇ｏ为电子在体材料中的散射时间，它由两部分构 成：电子一声子散射时间ｒ 和电子一电子散射时间 ｒ…。它的表达式为口 ： 一 体的制备及其与颜色之间的关系。自此以后，金属纳 米颗粒的制备和光学性能成为研究热点ｌ＿３ 。贵金属 纳米颗粒具有不同于体材料的表面等离子体共振 （ｓｕｒ｛ａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）性质，可应用于表 ＋ Ｚ＇￣ｐｈ ｒｅ ｅ。 （４） 面增强谱学、化学和生物敏感器、光能传送器、近场扫 描光学显微学等领域＿】卜 ］。大量的实验研究表明，金 属纳米颗粒的光学性能随颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、颗 粒体积分数、颗粒微结构、颗粒形状和界面结构而变 化，影响因素多而复杂。本文在前期研究工作的基础 上，系统地评述了这些影响因素对金属纳米颗粒等离 子体共振吸收性能的影响，有利于读者深入理解等离 子体共振吸收的物理实质和实现对等离子体共振频率 的调控。 ＂Ｃｏ 对于金属纳米颗粒，随着颗粒尺寸减小，电子表面 散射变得越来越重要。此时电子的散射时间ｒ按下式 计算 ： １ｙ一 ｒ 一 １＋Ａ Ｒ ｒｎ Ｌ ＋Ａ Ａ （５） 式（５）中，ｙ是电子振动阻尼常数， 为电子费米 速度，Ｌ为电子在体材料中的平均自由程，Ｒ为金属颗 粒直径，Ａ为常数（在１附近）。 由于贵金属存在束缚电子，它的介电常数则表示 ２球形纳米颗粒的等离子体共振吸收 在光照作用下，贵金属纳米颗粒表面的自由电子 发生极化，在纳米颗粒内产生偶极子，这些偶极子随着 电磁场的变化而集体振荡，在特定的波长产生强烈的 表面等离子体共振吸收，如图１所示ｌ】 。 为 。 ： ￡一ｅ ＋ｅ （６） 式（６）中的￡ 为带问电子对介电常数的贡献，主 要起源于费米能级以下完全被填充的ｄ带到未完全填 充的ｓ—Ｐ导带之间的带间跃迁。 对于含纳米颗粒的分散体系，当纳米颗粒的体积 分数较低时，即颗粒问的相互作用可忽略时，该体系的 ＊因此，当颗粒尺寸小于电子的平均自由程时，须对 Ｄｒｕｄｅ模型进行修正，其介电常数为： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７２０６９）；上海市科委基础研究重点资助项目（０８ＪＣ１４１９Ｏ０Ｏ） 收到初稿日期：２００９—０９—２１ 收到修改稿日期：２００９—１１－２７ 通讯作者：杨修春 作者简介：杨修春（１９６５－－），男，湖北黄梅人，研究员，博士后，博士生导师，主要从事纳米材料的制备、结构特征及光学性能 的研究。
助 ｓ 一 一财 抖 ２０１０年第２期（４１）卷 南＋ ２（７） ￡ ，可以求得∞ 。： 一大值，此时的频率为表面等离子体共振频率 。代人 由方程（１）知，当Ｅ ＋２ｅ 一０时，吸收系数出现最 一 一 一＼（ ＋ ） 