金奈米粒子的表面电浆共振特性耦合、应用与样品制作金奈米粒子的.PDFVIP

金奈米粒子的表面電漿共振特性： 耦合、應用與樣品製作 撰文　曾賢德 奈米粒子是建構奈米結構及奈米元件最基本的建築磚塊 (building block) 種類之一。儘管不同材 料與尺寸的單一奈米粒子本身即具有許多新穎的光學、電學特性，但若將兩個以上的奈米粒子組 裝在一起時，則會具有更多有趣的物理特性。此種奈米粒子組裝結構除了可以應用於研究奈米系 統的耦合現象之外，其特性亦可廣泛被應用於奈米光電元件上及生化感測方面 [14, 13]。本文將 以金奈米粒子為主，簡介金奈米粒子的局部表面電漿共振 (Local Surface Plasmon Resonance, LSPR) 特性以及其應用，並介紹金奈米粒子靠近時的耦合效應及其應用，以及製作金奈米粒子組 裝結構的簡單方法。 對於單一奈米粒子 ，由於尺寸效應 、量子侷限效 晶體(Single Electron Transistor) 及相關的單電子元件 應與界面效應等原因 ，奈米粒子的光學與電學特性 [2] 。除了上述電學特性 ，金屬( 如金 、銀) 奈米粒 在奈米尺度下會隨其尺寸大小而變化 。例如CdSe 、 子亦有非常有趣的光學性質 。當電磁波通過金屬奈 CdTe 、ZnSe 、GaAs 等直接能隙半導體奈米粒子 ， 米粒子時 ，奈米粒子上的電子會受交流電場的驅動 當其粒子尺寸縮小至接近其激子波爾半徑 (Exciton 而產生振盪 ，並在奈米粒子表面產生表面電漿(Sur- Bohr Radius, a ) 時 ，即會有明顯的量子尺寸效應 face Plasmon) 。當此電磁波波長接近此金屬奈米粒子 B (Quantum Size Effect) ，使其能隙大小E 隨粒子半徑 的表面電漿共振波長 λ 時 ，會因局部表面電漿共 SP a 變化 。以有效質量近似為計算基礎時 ，可得其關係 振現象而有相大當的光吸收 。由於粒徑小於20 nm 為[1] ： 的金奈米粒子的表面電漿共振吸收約波長520 nm 左右 ，因此其膠體溶液因吸收綠光而呈現鮮紅色。 此一現象在 1857 年即由Faraday 所解釋[5] ，並在 1908 年由Mie 利用Maxwell´s equation 獲得其理論 其中，第一項為塊材狀態的能隙Eg ，第二 計算結果[6] 。圖一顯示不同直徑的金奈米粒子的紫 項為電子與電洞因量子侷限效應造成的能階變 外- 可見光(UV-vis) 吸收光譜 ，顯示其光學特性亦 化 ，第三項為電子與電洞間的庫侖作用能 ， 與粒子的大小有關。此外 ，粒子的幾何形狀亦對光 為Exciton Rydberg Energy 。因此 ，藉 與粒子間的交互作用有極大的影響 ，因此不同長寬 由控制此類量子點(Quantum Dot) 的尺寸 ，即可改變 比的金奈米柱(nanorod) 及不同形狀的金顆粒會呈現 其螢光波長 。相對於半導體奈米粒子的光學特性 ， 圖一 不同尺寸 (9–99 nm) 的金奈米粒子的 UV-vis 吸收 金屬奈米粒子的尺寸效應則常被應用於改變其電學 光譜。[4] 特性上 。由於庫侖阻塞效應(Coulomb Blockade Ef- fect) ，當一個電子進入金屬奈米粒子時會使其電位 提高 ，並使下一個電子必須具有較高的能量 ，亦即 2 庫侖充電能 (Charging Energy, E e /2C) ，才