Au纳米棒的制备及其光谱性质研究文献综述

文献综述

纳米颗粒表现出的性质通常与其相应的散装材料不同。金属纳米粒子从贵金属到过渡元素在催化，光学，磁性，传感器等方面表现出令人感兴趣的性质。在开发合成方法和理解这些纳米粒子的光电子性质方面已经取得了重大进展，但还有一些模棱两可的问题应该加以解决。

在金属纳米粒子的合成中，对形状和尺寸的控制一直是重要和具有挑战性的任务之一。形状和晶体面是决定纳米粒子的催化活性和表面活性的主要因素。粒径可影响金属纳米粒子的光学性质。在球形或棒状金纳米颗粒中，相对于球形颗粒的第一个显着差异是在较低能量下表面等离子体谱带的出现。 在这些纳米粒子中，已经观察到强烈的表面增强拉曼散射^[1]（SERS），其对粒子的形状和大小敏感。通常，棒状金属纳米粒子可以在刚性模板中或在表面活性剂的存在下合成。 在前一种情况下，金属离子在氧化物或聚合物膜的圆柱形孔内被还原。 在后一种方法中，中性或带电的表面活性剂用于纳米颗粒的生长。在非水介质中，表面活性剂如四辛基氧化膦和油酸已用于在平行于{101}面的方向上生长钴纳米棒。在水性介质中， 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）一直是金属合成中最受欢迎的分子之一，尽管迄今为止仅限于金和银金属。

电磁波在贵金属介质界面有一定的倏逝波透射深度，且在金属表面的电子与之作用强烈。电磁场和贵金属表面自由电子相互作用能够增强电子的集体振动，表面自由电子在电磁场作用下的这种集体振荡被称为表面等离激元（surface plasmons，SP），或称作表面等离激元极化^[2,3]（surface plasmonspolarization，SPP）。表面等离激元产生于表面自由电子气振荡，其具有奇异的电磁场特性，如光的选择性散射和吸收、局域电场增强和电磁波的亚波长束缚等。近年来，随着纳米加工技术以及数值模拟手段的进步，人们对表面等离激元相关的机理和应用的研究逐渐发展成为一门独立的新兴学科——等离激元光子学（plasmonics）。对纳米颗粒和纳米周期阵列，等离激元共振模式主要是局域表面等离激元共振。在共振条件下，表面等离激元在入射光的激发下表现出特殊的光谱特性，其吸收与散射光谱要受到等离激元（自由电子）、声子（晶格振动）、激子（电子共穴对）等因素的影响。对于金属纳米粒子而言，由于金属纳米颗粒的比表面积远大于体结构金属，因此其光学性质（吸收、散射与消光光谱等）主要受局域表面等离激元的影响。金属纳米颗粒在入射电磁波的作用下，受电场的作用其表面自由电子出现集体的振荡行为，当振荡频率与固有频率一致时便出现所谓的等离激元共振^[3,4]，同时在消光光谱上出现表面等离激元共振峰。目前，大量的实验表明：金属纳米粒子的表面等离激元共振吸收峰受到粒子的尺寸、形状、材料及周围介质的介电特性等因素的强烈影响。成分、形貌、尺寸不同的金属纳米颗粒，具有截然不同的LSP性质。球形金属纳米颗粒的LSP只有一种模式。对于金纳米棒而言，它有两个不同模式的LSP偶极共振模式：一种是共振方向平行于长轴方向，表面自由电子沿棒的长轴方向简谐振动，这个称之为纵向共振模式（longitudinalsurface plasmon wavelengths，LSPW）；另一种共振方向垂直于长轴方向，表面自由电子沿棒的短轴方向简谐振动，称之为横向共振模式（transversesurface plasmon wavelengths，TSPR）。

室温下的金属纳米颗粒中的电子自由活动空间只有10~100nm。较早就有人预测了小于可见光波长的纳米金属颗粒将会有不同寻常的性质。直径100nm或者尺寸更小的金纳米颗粒呈现出红色而不是金色，它具有如下一些奇异性质:

（1）共振波长可调控^[4]

通过调控金纳米棒的长径比（长度与直径的比值）可以得到不同共振波长的表面等离激元。改变AuNR的长径比（ratio）可以实现LSPR峰位置从可见光（500nm）到近红外（1800nm）范围的任意调控。对于长径比在2到5之间的金纳米棒，其径向表面等离激元共振吸收峰与长径比呈线性关系，而与金棒长度无关。

（2）等效截面较大^[4]

散射和吸收截面是定量地研究光与纳米粒子相互作用强弱的物理量。纳米颗粒所在处有一块三维空间区域，只有经过这个特定区域的光子才会被散射和吸收。金属纳米颗粒的一个优势就是具有相对巨大的等效散射截面和吸收截面。具有LSP性质的贵金属纳米颗粒本来的物理截面要比离子/原子、半导体量子点、有机染料分子三种颗粒大，同时其等效光学消光截面要比物理截面大。相对于其他纳米颗粒，具有LSP性质的贵金属纳米颗粒消光截面是四种纳米颗粒中最大的，且要大几个数量级。