Các hạt kim loại quý như vàng, bạc, bạch kim .v..v.. khi đạt đến kích thước từ 1 đến 100nm sẽ mang những đặc điểm độc đáo mà chúng không có được ở dạng vật chất thông thường. Hạt kim loại nano với kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng có tính kích thích phân cực mạnh dưới dạng cộng hưởng plasmon trên bề mặt định xứ [63].
Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ là hiện tượng kích thích không lan truyền của điện tử dẫn của hạt nano kim loại kết hợp với trường điện từ. Hiệu ứng này trở thành mục tiêu nghiên cứu ở cấp độ cơ bản lẫn ứng dụng.
Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt là hiện tượng biến điệu cộng hưởng của điện tử dẫn tại bề mặt phân lớp giữa trong chất rắn khi bị kích thích bởi ánh sáng tới (trường điện từ). Điều kiện cộng hưởng được thỏa mãn khi tần số ánh sáng phù hợp với tần số dao động tự nhiên của điện tử biến điệu. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt ở vật liệu có kích thước nano được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ. Đối với hạt nano vàng và bạc, sự cộng hưởng xảy ra đối với ánh sáng khả kiến trong phổ điện từ[71]. Hệ quả của quá trình này là những màu sáng của hạt nano đối với ánh sáng truyền qua và phản xạ bởi sự cộng hưởng tăng cường hấp thu và tán xạ[63].
Khi có ánh sáng đến bề mặt vật liệu, điện trường của quang tử tương tác với các hạt cầu nano kim loại trên bề mặt vật liệu, gây ra các dao động của điện tử dẫn. Khi đám mây điện tử di chuyển một khoảng cách tương đối với hạt nhân, lực hấp dẫn Coulomb giữa đám mây điện tử và hạt nhân sẽ gây ra lực hồi phục tạo nên dao động tương đối giữa đám mây điện tử và hạt nhân. Tần số dao động này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước hạt nano và môi trường xung quanh. Khi tần số dao động trùng với tần số ánh sáng kích thích thì xuất hiện hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt[63].
Các dung dịch nano kim loại có nhiều màu sắc do hiệu ứng plasmon bề mặt gây ra. Ánh sáng đến sẽ bị hấp thụ một phần, phần phản xạ sẽ quyết định màu sắc dung dịch nano kim loại[71].
Hình 1. 11Giản đồ điện tử vùng hóa trị trong hạt nano vàng tương tác với sóng phẳng tới, với điện trường phân cực E trên ma trận chất nền.
Khi vật liệu nano kim loại quý như Au, Pt, Ag lắng đọng hoặc bám trên bề mặt
vật liệu nano TiO2 sẽ đóng vai trò là bẫy điện tử tự do từ TiO2. Quá trình bẫy điện tử
này làm giảm tỷ lệ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống, tăng hiệu suất hình thành các gốc tự
do khi điện tử kết hợp với O2 tạo thành các gốc tự do. Ngoài ra, dưới điều kiện ánh
sáng khả kiến, hiện tượng plasmon tạo các điện trường bao quanh hạt kim loại,tăng cường kích thích eletron trên bề mặt và sự phân tách cặp điện tử- lỗ trống [77].