Như ta đã biết plasmon là dao động tập hợp của các electron tự do trong kim loại. Vì những dao động này xảy ra ở một tần số xác định rõ, một 'plasmon' được phân loại là chuẩn hạt boson kích thích và tương ứng với một lượng tử của dao
động plasma [24,25]. Theo mô hình chất lỏng Fermi, plasmon có thể được mô tả như một đám mây electron mang điện tích âm dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của nó xung quanh một mạng tinh thể làm bằng các ion tích điện dương, tương tự như
Hình 1. 6: Do màu sắc mãnh liệt của chúng, Au NPs đã được tìm thấy trong hàng
nghìn năm trong các sản phẩm do con người tạo ra. (A) Ngà voi khảo cổ mạ vàng của Ai Cập (thế kỷ thứ 8 trước Công nguyên, bộsưu tập của Louvre có nguồn gốc từ Arslan Tash, Syria). (B) Cúp Lycurgus của La Mã thế kỷ thứ 4, có màu đỏ khi
được chiếu sáng từ phía sau và màu xanh lục khi được chiếu sáng từphía trước (Bảo tàng Anh). (C) Ấm trà (1680) do Johannes Kunckel thu được bằng kỹ thuật
‘Purple of Cassius’. (D) Các mẫu keo vàng ban đầu của Michael Faraday (1852)
Không thể kích thích plasmon bởi điện trường của bức xạ điện từ bên trong vật chất dạng khối, tức là dưới độ sâu của lớp vỏ kim loại, nơi mà các đường cong phân bốnăng lượng plasmon và photon không bao giờ cắt nhau. Mặt khác, sự hiện diện của một bề mặt trong vật liệu thực cho phép tồn tại các chếđộ plasmon cụ thể, có thể bị kích thích bởi điện trường bên ngoài của bức xạ điện từ [24,25], gây ra sự
dịch chuyển của khí điện tử đối với chúng với vị trí cân bằng xung quanh các ion
tích điện dương. Ánh sáng có góc tới cao tức là với vectơ sóng gần song song với bề mặt, (xem hình 1.8a ) kết đôi hiệu quả nhất với khí điện tử tự do, chẳng hạn như
trong cấu hình tổng phản xạ suy giảm (Kretschmann hoặc Otto) [24]. Trên thực tế, các dạng dao động này được gọi là các phân cực plasmon bề mặt lan truyền
(PSPP), tương tự với các phonon-phân cực
Trong trường hợp các hạt nano kim loại, điện trường của ánh sáng tới có thể
xuyên qua kim loại và phân cực các điện tử dẫn (hình 1.8b). Ngược lại với PSPP, các plasmon trong hạt nano có kích thước nhỏhơn so với bước sóng photon là kích
thích không lan truyền, được gọi là plasmon bề mặt cục bộ (LSP), bởi vì kết quả dao động plasmon được phân bố trên toàn bộ thể tích hạt [24,25]. Sự dịch chuyển rõ ràng như vậy của các điện tử từ mạng tinh thể tích điện dương tạo ra lực khôi phục kéo các điện tử phân cực trở lại mạng [27]. Do đó, plasmon trong hạt nano có thể được coi là một dao động điều hòa đàn hồi có khối lượng được điều khiển bởi sóng ánh sáng cộng hưởng năng lượng, trong đó đám mây điện tử dao động giống
như một lưỡng cực đơn giản theo hướng song song với điện trường của bức xạ điện từ (hình 1.8c). Chỉ ánh sáng có tần số cộng hưởng với dao động mới có thể
kích thích LSP [24]. Mô hình dao động điều hòa đàn hồi khối lượng đơn giản,
trong đó khối lượng được biểu thị bằng mật độ electron và hằng số đàn hồi được thiết lập bởi lực phục hồi Coulomb giữa các electron và nguyên tử mạng, đã được sử dụng nhiều để diễn đạt khái niệm và hiểu biết vật lý về plasmonic [26].
Cộng hưởng plasmon định xứ bề mặt (LSPR – Localized surface plasmon resonance) là kết quả của sự giam cầm của một plasmon bề mặt trong một hạt nano
có kích thước tương đương hoặc nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng trong phạm vi nhìn thấy hoặc ánh sáng được sử dụng để kích thích plasmon. LSPR có hai tác dụng quan trọng: Các điện trường gần bề mặt hạt nano được tăng cường đáng kể và
độ hấp thụ quang học của hạt có cực đại tại tần số cộng hưởng plasmon. Đối với các hạt nano kim loại quý, điều này xảy ra ở bước sóng khả kiến và vùng gần hồng ngoại [26]; Các hạt nano Au hoạt động như các thấu kính nano, tức là trường điện từ gần bề mặt hạt (bên trong hoặc bên ngoài NP) được tăng cường đáng kể và nhanh chóng giảm đi theo khoảng cách. Điều này vượt qua giới hạn độ phân giải của quang học xa thông thường, cho phép định xứ hóa ánh sáng trên quy mô nanomet hoặc gần nanomet [26].
Hình 1. 7: Hình minh họa plasmon ở dạng vàng khối (A) và NP (B). (A) Sốlượng lớn plasmon có thểđược kích thích bởi chùm điện tử (dưới cùng), trong khi các
PSPP được kích thích bởi trường phát sáng (trên). (B) LSP được kích thích bởi ánh sáng truyền trong không gian tự do hoặc môi trường điện môi. (C) LSP trong Au NP có thể được mô hình hóa, như một phép gần đúng đầu tiên, giống như một bộdao động điều hòa lò xo, trong đó mật độ electron tự do tương đương với khối
lượng