《Current Applied Physics》：Plasmonic properties of spherical platinum nanoparticles
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本文基于有限元方法和米氏理论，系统研究了铂纳米颗粒在不同尺寸（10-80nm）、介质（空气/二氧化硅/氧化铝）及二聚体间距下的光学响应特性，揭示了尺寸增大导致局域表面等离子体共振红移，介质介电常数升高增强吸收峰，间距减小增强共振效应，纵向极化下峰强度显著提升，并探讨了其在光热治疗和生物传感等领域的应用潜力。
法拉·法图赫（Farah Fattouh）|萨玛亚·埃尔·萨马德（Samaya El Samad）|穆罕默德·哈拉夫（Mohammed Khalaf）|萨利姆·马尔哈巴（Salem Marhaba）
黎巴嫩贝鲁特阿拉伯大学理学院物理系
摘要
本文研究了铂纳米颗粒的光学特性。采用有限元方法计算了纳米颗粒的光学响应，考虑了其尺寸变化、周围介质以及二聚体纳米颗粒中颗粒间距离的影响。随着纳米颗粒尺寸的增加，局域表面等离子体共振（LSPR）的光谱位置向长波长方向显著移动。介质介电函数的增加也显著改善了LSPR峰值。此外，减小颗粒间的距离可以增强LSPR，这是由于相邻颗粒之间的等离子体耦合效应。光的消光、吸收和散射响应取决于光的偏振方向。与横向偏振相比，纵向偏振下LSPR的幅度明显增加，并且向近红外区域移动。我们指出，虽然金和银具有低损耗散射特性，但铂的电子结构使其表现出更强的吸收响应和更优的热载流子生成能力，从而在纳米光子学和高性能催化领域架起了桥梁。
引言
由于金属纳米颗粒具有独特的物理化学性质，包括高表面积与体积比、独特的量子特性和可调的化学反应性[1,2]，研究人员一直在各个工业领域对其进行研究。在医学领域，纳米材料有助于开发各种药物输送系统、诊断工具和成像技术[3,4]。细小的纳米颗粒对于推动新型太阳能电池和储能技术的发展至关重要，例如在各种消费电子产品中广泛使用的锂离子电池[5,6]。当金属颗粒缩小到纳米尺度时，最重要的现象是局域表面等离子体共振（LSPR）的出现。入射在共振波长的光会激发LSPR，导致强烈的光散射、明显的表面等离子体吸收带以及局部电磁场的增强[7]。当金属的介电函数实部变为负值时，LSPR就会出现，这会使金属表面的自由电子开始集体振荡。由于金属纳米颗粒在许多领域（如光波导[8]、分子荧光检测[9]、光催化[10]和纳米等离子体学[11]）中的巨大潜力，它们受到了研究人员的广泛关注[12,13]。
大量研究集中在金和银纳米颗粒的光学特性上，它们的LSPR范围从近紫外到近红外。单个球形贵金属纳米颗粒的LSPR光谱特性受其形态和周围介电介质性质的强烈影响。随着球形纳米颗粒尺寸的增大，LSPR的光谱位置向长波长方向移动，同时光谱轮廓变宽[14]。LSPR的红移也与周围介质介电函数的增加有关[14]。最近，许多实验和理论研究探讨了金属纳米颗粒之间的相互作用对其光学响应的影响。一个显著的例子是金纳米颗粒二聚体，其散射光谱与单个颗粒的光谱有很大不同。具体来说，当颗粒相对表面之间的距离（d）减小时，等离子体共振向长波长方向移动（红移）。此外，在较短波长处可以清晰地看到第二个共振带。这些观察结果——光谱位移和新共振带的出现——已经通过电子纳米光刻技术制备的结构（如圆柱形垫片）得到了实验验证[15]，并且使用多种理论方法成功进行了建模[15],[16],[17]。还研究了线性周期性链状排列的相同金属纳米颗粒的光学响应[18,19]。这些纳米结构表现出依赖于光偏振的消光现象，从而可以选择性地激发局域表面等离子体共振（LSPR）的横向或纵向模式[20,21]。对于纵向模式，将纳米颗粒添加到金链中会导致LSPR的光谱位置红移，幅度增加（由于颗粒间的电场增强），并出现多极模式[22]。
然而，铂（Pt）纳米颗粒表现出独特的光学、生物医学和催化特性[23]，这与广泛研究的金属（如金和银）不同。这为生物传感[24]、光热治疗[25]、表面增强拉曼散射[26]、太阳能[27]和光学纳米天线[28]等领域应用提供了可能性。迄今为止，对Pt纳米颗粒的光学特性研究尚未达到与贵金属相同的水平。Pt纳米颗粒在紫外区域显示出LSPR，并具有有效的阻尼机制。需要进一步研究LSPR的光谱位置、幅度和宽度如何随颗粒形态、周围介质、二聚体中的颗粒间距离以及链中纳米颗粒数量的变化而变化。尽管关于纯Pt纳米颗粒（单个和二聚体）的精确实验截面数据在文献中较为稀缺——大多数研究集中在薄膜[29]、纳米棒[30,31]或基底上的多金属合金[32]上——但本研究为纯Pt纳米颗粒提供了系统的数值基准。具体来说，我们的研究与参考文献[30,31]不同，因为我们分离出了纯Pt的本征等离子体响应，没有受到金核或包覆剂的干扰。此外，与参考文献[32]中的实验基底研究不同，我们的有限元方法能够提取单独的吸收和散射分量，这些分量在实验上难以分离，但对于理解Pt在光催化中的效率至关重要。与Jung等人的研究结果[30]一致，我们的结果证实，与传统等离子体金属相比，Pt表现出更宽且阻尼更大的共振现象，我们现在已经对单个和二聚体纳米颗粒的共振进行了量化。
本研究利用Mie理论和有限元方法对Pt纳米颗粒的光学特性进行了理论分析，研究了颗粒尺寸和周围介质对Pt纳米颗粒LSPR光谱特性的影响，颗粒尺寸范围为10至80纳米。研究了三种不同介质（空气、二氧化硅和氧化铝）对Pt纳米颗粒的影响，以及颗粒间距离和光偏振对LSPR的影响。计算涵盖了从200到900纳米的广泛光谱区域。本文提供的详细光谱表征为将Pt纳米颗粒应用于上述各种领域提供了理论依据，弥合了基础电磁理论与实际应用（如光热治疗和光学传感）之间的差距。此外，Pt二聚体的定量优势——特别是其增强的“热点”强度——直接促进了光催化产氢。Pt的化学稳定性结合我们在结果中展示的光学可调性，在生物传感和医学诊断方面相比传统贵金属具有显著的实际优势。
部分摘录
Mie理论
Mie理论解释了由均匀材料制成的单个金属球体的光散射和吸收现象。该理论通过精确的数学方法实现了对涉及电磁波的多极展开，从而成功解释了胶体金溶液的颜色和光吸收特性[33]。这一理论为确定光学行为（如散射和吸收）提供了数学上的精确方法。
结果与讨论
图4显示了10纳米至30纳米范围内金和银纳米颗粒的消光截面。金纳米颗粒在530至560纳米之间表现出主要的偶极吸收峰。此外，由于带间电子跃迁，500纳米以下的光谱趋于平坦（形成平台）。从大约700纳米开始，光谱值接近零（图4（a））。
银纳米颗粒的LSPR具有洛伦兹分布特性
结论
本研究利用分析Mie理论和有限元模拟相结合的方法，研究了球形Pt纳米颗粒的光学特性。我们计算了在空气、二氧化硅和氧化铝环境中直径为10至80纳米的Pt纳米颗粒的消光、吸收和散射截面光谱。分析涵盖了从200到900纳米的宽光谱范围，并考虑了不同的颗粒间距离和光偏振（纵向和横向）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
