金纳米球吸收光谱特性研究_尺寸对纳米粒子吸收光谱的影响

A
B
C
D
Fig. 1 金纳米粒子的 TEM 图像，从（A）到（D）各粒子的平均直径为： 16nm, 24nm, 41nm, 71nm.
大，对应吸收峰的峰位呈现向长波段红移的趋势. 收峰的极值波长随粒子直径的变化关系则如 Fig.2 （b） 所示.粒子直径由 16nm 增至 24nm， 再到 41nm 最后到 71nm 时，相应的吸收峰峰位由 519nm 红移至 523nm，再到 532nm，最后到 540nm.可见，在一定的尺寸范围内，吸收峰的极值波长随粒子直径的变化关系大体呈线性.在 当 前 的 实 验 条 件 下 ， 变 化 的 斜 率 大 约 为 0.3778 ， 两 者 的 关 系 经 线 性 拟 合 后 为 ：
20
(b) 80
600
520
W a v e le n g t h ( n m )
diameter(nm)
40
60
Fig.3 (a) 用 DDA 算法模拟置于水中, 直径分别为 16, 24, 41, 71 nm 的金纳米球的 吸收光谱. (b) 吸收峰的极值波长与粒子直径之间的关系.
Fig.3 给出了用 DDA 算法对该实验吸收光谱模拟的结果.由 Fig.3（a）可以发现，用 DDA 算法所得结果能很好的反映：随粒子直径的增大，相应的吸收峰峰位逐渐红移这一趋势.而且 由小到大这四种粒子各自的吸收峰峰位分别位于 523nm, 525nm, 530nm, 542nm, 与实验的结果
4 结论
将实验光谱与 DDA 模拟光谱进行对比表明：DDA 算法能相对准确地反应纳米粒子的实 际吸收光谱．而从这两组数据均可发现，纳米粒子的吸收光谱与其尺寸有密切联系：随粒子尺 寸增加，光谱吸收峰峰位随之红移，在一定的尺度范围内两者的关系大体呈线性．
参考文献：
[1] Yu Y, Chang S, Lee C, Wang C R C, Gold Nanorods: Electrochemical Synthesis and Optical Properties, [J]. Phys. Chem., B, 1997, 101: 6661. [2] Yugang Sun and Younan Xia, Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles, [J].Science, 2002, 298: 2176-2179. [3] S. Link and A. El-Sayed, Size and Temperature Dependence of the Plasmon Absorption of Colloidal Gold Nanoparticles, [J]. Phys. Chem. B 1999, 103: 4212-4217. [4] Satohhi Nishimura et al, Characteristics of a Surface Plasmon Resonance Sensor Combined with a Poly(vinyl chloride)Film-based Ionophore technique for Metal Ion Analyses, [J].Analytical Sciences, March 2002, 18: 267-271. [5] A. A. Lazarides, K. Lance Kelly, G.C.Schatz, et al, Optical properties of metal nanoparticles and nanoparticle aggregates important in biosensors. [J].Journal of Molecular Structure (Theochem) , 2000, 529:59-63. [6] E. M. Purcell and C. R. Pennypacker, Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains, Astrophys. [J]. 1973, 186: 705-714. [7] B.T.Draine, Discrete dipole approximation, Astrophys. [J]. 1988, 333: 848-872. [8] B.T.Draine, J. J. Goodman,beyong calausius-mossotti: Wave propagation on a polarizable point lattice and the discrete dipole approximation, Astrophys.[ J]. 1993,405: 685-697. [9] B.T.Draine, and P.J. Flatau, [J]. Opt.Soc. Am. A, 1994, 11(4): 1491-1499. [10] T.Draine, P. J. Flatau, Program DDSCAT ,University of California, San Diego, Scripps Institute of Oceanography, 8605 La Jolla Dr., La Jolla, CA 92093-0221, USA.
λ max = 514.049 + 0.3778 d ( nm ) .
Absorption efficiency(a.u.)
1.2
Max of the Wavelength(nm)
1.0
Q absof gold sphere m=1.33
540 max=514.049+0.3778d d=71nm,max=540nm
D C 1 B (a) 0 400 450 500 550
4
max of the Wavelength(nm)
max=516.73+0.34692d(nm)
540
3
d=71nm,max=542nm
2
530
d=41nm,max=530nm d=24nm,max=525nm d=16nm,max=523nm
∑
N
i =1
r r −1 Im P i ⋅ α i
[
(
r )P
∗
i
k ]− 2 3
3
（7）
此外，若粒子的总体积为 V ，而偶极子的间距为 d ，则有： V = N d 3 ，定义粒子的有效 半经 a eff 为： a eff = (3 V / 4 π )1 / 3 ，相应的吸收有效因子：
3.1 离散偶极子近似理论 1973 年首次提出，后来分别于 1988 年（Draine）[7]，1993 年（Draine ＆Goodman）[8]，1994 年（Draine ＆Flatau）[9]和 2000（Draine）10 得到不同程度的修正与改进，并逐步发展成一种 算法.原则上 DDA 理论可用于计算各种形状的粒子的光学性质（如消光，散射与吸收） ，它与
（1．漳州师范学院 物理系, 福建 漳州 363000; 2．厦门大学 物理系, 福建 厦门 361005） 摘要：用 Na3C6H5O7 还原 HAuCl4, 获得不同粒径的金纳米球, 观测粒子的 UV/VIS 吸收光谱, 采用离散偶极子近似理论进行模拟, 探索纳米粒子的尺寸对吸收光谱的影响. 关键词：金纳米球；吸收光谱；离散偶极子近似；尺寸 中图分类号：O433 文献标识码：A 文章编号：1008-7826（2004）02-0031-04
2 Q abs ≡ C abs / π a eff
（8）
3.2 金纳米粒子吸收光谱的模拟值
Absorption efficiency(a.u.) Q abs o f g o l d s p h e r e , m = 1 . 3 3 B d=16nm C d=24nm D d=41nm E E d=71nm
［ ］
实验测得的紫外－可见吸收光谱相结合，是当前研究纳米粒子光学性质的重要手段之一.
第2期
李秀燕： 金纳米球吸收光谱特性研究
33
r r .每个偶极子在局域场 ，中心位置设为 r 张量设为 α E loc 的作用下产生的极化矢量为： i i r r r r （1） Pi = α i ⋅ E loc (ri ) r r r E loc 由入射场 E inc 和其他 ( N − 1) 个偶极子激发的场 E other
［３］
形状、 材料及周围介质介电特性等因素的强烈影响
．研究金属纳米粒子的线性光学特性，将
［４，５］
促进其在光学设备、表面增强光谱及传感器等方面的应用 ． 本文用 Na3C6H5O7 还原 HAuCl4，制得不同粒径的金纳米球，观测它们的 UV/VIS 吸收光 谱，并利用离散偶极子近似理论模拟该光谱，分析纳米粒子的尺寸对其 UV/VIS 吸收光谱的影 响.
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漳州师范学院学报（自然科学版）
2004 年
仅约 2nm 的误差， 这表明用 DDA 的算法能相对准确地反映实验光谱的极值峰位及其相应的变 化趋势.此时，吸收峰的峰值波长随粒子直径的变化关系也大体呈线性，两者的关系经线性拟 也与实验结果相当接近. 合后大约为: λ max = 516.73 + 0.34692 d ( nm ) ,变化的斜率为 0.34692，
1
Baidu Nhomakorabea引言
金属纳米材料，特别是金、银球状纳米颗粒及纳米棒和纳米线等，由于具备优良的光学特 性和电学特性，在未来纳米电子学中有重要应用前景.近年来，许多研究小组采用各种物理或 化学方法，力求精确控制纳米粒子的尺寸和形貌，并借助各种实验手段研究它们的光学特性
[1,2]
. 目前，大量实验表明，金属纳米粒子的线性光学特性（消光，吸收与散射）受粒子尺寸、
DDA 理论将所研究的纳米粒子视为由 N 个偶极子构成的立方阵列， 每个偶极子的极化率
v
r r r r r r E 0 和 k 分别表示入射波的振幅与波矢， k = ω / c ， A ij 也为张量.而 − A ij ⋅ P j 指在位
r r r r E inc ,i = E 0 exp i k ⋅ ri − ω t r r r E other , i = − ∑ A ij ⋅ P j
(
)
,i
两部分组成，其中， （2） （3）
j≠i
置 j 处的偶极子在位置 i 处激发的电场，可写成：
r r r r (1 − ikr ij ) r 2 P exp (ikr ij ) r r r r 2r （4） A ij ⋅ P j = k rij × rij × P j + (i ≠ j ) ij j − 3 rij rij ⋅ P j 3 2 rij rij v v ，由于上式已规定矩阵 r 中 i ≠ j ，可定义： 其中， rij = r A ij i − rj r r （5） A ii = α i − 1
6 5 0 10
Fig.2 (a)金纳米球置于水中时, 在实验上所测得的紫外－可见吸收光谱, 其中 B, C, D, E 四条曲线对应的粒子直径分别为 16, 24, 41, 71nm. (b) 吸收峰的极值波长与粒子直径的关系曲线.
3
离散偶极子近似理论的模拟结果
离散偶极子近似（discrete dipole approximation-DDA）理论由 Purcell 与 Pennypacker [6]于
0.8 E D B 0.4 (a) 475 500 525 550 575 600 625 C
530
d=41nm,max=532nm
0.6
d=24nm,max=523nm 520 (b) d=16nm,max=519nm 20 30 40 50 diameter(nm) 60 70 80
Wavelength(nm)
第 17 卷 第 2 期 2004 年 6 月
漳州师范学院学报(自然科学版)
Journal of Zhangzhou Teachers College（Nat.Sci.）
Vol.17 No.2 Jun. 2004
金纳米球吸收光谱特性研究
—尺寸对纳米粒子吸收光谱的影响 李秀燕 １，杨志林 ２，周海光 ２
2
实验
利用 HAuCl4 与 Na3C6H5O7 的纯化学还原反应， 制备不同粒径的金纳米球.该反应有两个独
2.1 制备方法 立过程：成核过程与粒子生长过程.实验上，通过调整 Na3C6H5O7 的剂量，控制这两个过程的 相对比率，从而获得不同粒径的金纳米球.所用的试剂有：①浓度为 0.01%的 HAuCl4，②浓度 为 1%的 Na3C6H5O7. 2.2 金纳米球的透射电子显微镜(TEM)图像 用 TEM(JEM-200CX)观察金纳米粒子的形貌，粒子照片如 Fig.1 所示〔放大 40000 倍〕. 粒子的形状大体呈球形， 从 A 至 D 四种金纳米粒子的平均直径分别为 16nm, 24nm, 41nm, 71nm.
(
)
[
(
)]
这样，散射问题归结为一个 N 维线性复矢量方程：
∑
=
N
求出极化矢量 Pi ，可获得相应的吸收截面：
C
abs
j= r1
r r r A ij ⋅ P j = E inc
,i
(i
= 1, 2 , L , N
)
∗
（6）
r r Pi ⋅ Pi ∗
4π k r 2 E inc
收稿日期：２００３－１０－１２ 作者简介：李秀燕（1974－）, 女, 福建省漳州市人, 讲师, 硕士.
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漳州师范学院学报（自然科学版）
2004 年
2.3 金纳米球吸收光谱的实验值 用分光光度计(BECKMAN D Ⅱ7400)观测粒子的紫外－可见吸收光谱，结果如 Fig.2 所示. 由 Fig.2 (a)可见，金纳米球的紫外－可见吸收光谱曲线仅具有单个吸收峰，而且，随粒径的增