最新Nature文章：10nm以下金属纳米颗粒的等离子共振研究

最新Nature文章：10nm以下金属纳米颗粒的等离子共振研究

金属纳米颗粒的等离子体共振由于在纳米光子学、生物学、传感器、光谱学以及太阳能捕集等方面的应用而广受关注。尽管10nm以上的颗粒的等离子属性已经研究的很充分了，但量子尺寸（10nm以下）的纳米颗粒由于光散射弱、金属-配体作用影响、整体测量不能均一等问题，给研究带来很大困难，使我们在很多自然和工程过程中（尤其在催化领域）不能检测与控制其等离子体属性。

本文使用像差校正透射电子显微镜成像与单色扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱技术研究了无配体的10nm以下的单个银纳米粒子的等离子共振现象。研究发现当银纳米粒子从20nm降至2nm以下的时候，等离子共振向高能方向移动了0.5ev，这明显不符合经典理论的预测。我们提出了一个量子力学模型并推测原因可能在于颗粒介电常数的变化。本文的研究成果对于小纳米颗粒在催化与生物领域的理解与应用有很大的意义。现发小木虫，与微纳版的虫友们分享

金属纳米颗粒的等离子体共振由于在纳米光子学、生物学、传感器、光谱学以及太阳能捕集等方面的应用而广受关注。尽管10nm以上的颗粒的等离子属性已经研究的很充分了，但量子尺寸（10nm以下）的纳米颗粒由于光散射弱、金属-配体作用影响、整体测量不能均一等问题，给研究带来很大困难，使我们在很多自然和工程过程中（尤其在催化领域）不能检测与控制其等离子体属性。

本文使用像差校正透射电子显微镜成像与单色扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱技术研究了无配体的10nm以下的单个银纳米粒子的等离子共振现象。研究发现当银纳米粒子从20nm降至2nm以下的时候，等离子共振向高能方向移动了0.5ev，这明显不符合经典理论的预测。我们提出了一个量子力学模型并推测原因可能在于颗粒介电常数的变化。本文的研究成果对于小纳米颗粒在催化与生物领域的理解与应用有很大的意义。现发小木虫，与微纳版的虫友们分享！

1.微纳光学：光子晶体、表面等离子体光子学（Plasmonic）都很火，因为得益于现代的微纳加工技术和化学合成、表征等手段，另外加上人们对小型化、高速度光子器件、芯片等所寄予的厚望，现在微米纳米的光学世界范围内都很火。05年物理年提到的十大重大课题中就给与了表面等离子光子学（plasmonic）。另外，特异材料（metamaterials）也非常受青睐，例如隐身（cloaking）、负折射以及各种各样微纳米光学元器件（e.g. superlens）。微米波段的隐身05年由Duke大学的D.R.Smith 组做出来，而光学波段的隐身正是当前许多科学家追逐的梦想，出色的代表作有伯克利的X.Zhang组、普渡大学的V.M.Shalaev组等。目前所有的工作离真正光学的隐身还有点距离。

对于表面等离子光子学，目前多的是（1）构造各种各样新奇结构来实现奇特的光学性质；（2）利用传播的表面等离子体激元做纳米光学集成化、小型化；（3）利用局域表面等离子体激元做电磁场增强，做生物、化学检测（如SERS等）以及癌症治疗；（4）表面等离子体的量子特性。

2.量子光学与非线性光学：量子通讯

3.超快光谱

后面的不熟，只知道hot

1.微纳光学：光子晶体、表面等离子体光子学都很火，因为得益于现代的微纳加

工技术和化学合成、表征等手段，另外加上人们对小型化、高速度光子器件、芯片等所寄予的厚望，现在微米纳米的光学世界范围内都很火。05年物理年提到的十大重大课题中就给与了表面等离子光子学（plasmonic）。另外特异材料也非常受青睐。

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表面等离子体

表面等离子体（surface plasmons，SPs）,是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。随着纳米技术的发展，表面等离子体被广泛研究用于光子学，数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面。

表面等离子体 - 科学历史

1902年，R. W. Wood在光学实验中首次发现了表面等离激元共振现象。1941年，U. J. Fano等人根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。R. H. Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过实验证实了R. H. Ritchie的理论。1960年，E. A. Stren 和R. A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念。在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，成为目前研究的热点。它已经被应用于包括生物化学传感，光电

子集成器件多个领域。表面等离子体 - 基本原理

表面等离子体场分布特性

表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各项同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。

一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性：

1.其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。

2.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。

3.表面等离激元的色散曲线在自然光的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。