Các hạt nano kim loại hấp thụ và tán xạ mạnh ánh sáng ở tần số cộng hưởng plasmon do đó chúng thể hiện các màu sắc rực rỡ. Tỉ số giữa tán xạ và hấp thụ phụ thuộc vào kắch thước hạt. Các hạt lớn tán xạ mạnh ánh sáng trong khi màu sắc của các hạt nhỏ chủ yếu là do hấp thụ. Với các chất nền (thường là chất màu) tán xạ thường được bỏ qua do đó màu sắc phát ra chủ yếu là do quá trình hấp thụ. Đối với hạt kim loại lớn trên 30nm thì quá trình tán xạ là rất quan trọng.
Tán xạ, hấp thụ và tắt dần ánh sáng của hạt được mô tả bằng tiết diện ngang hấp thụ, tán xạ và tắt dần σabs, σsca và σext, trong đó σext= σabs +σsca. Ánh sáng tán xạ được xác định bằng hệ thức: 0 sca sca I ( ) I ( ) ( ) A ω ω = σ ω (2.1)
Trong đó Io(ω)/A là cường độ ánh sáng chiếu vào hạt trên một đơn vị diện tắch. Thông thường các tiết diện tán xạ này được chuẩn hóa thành tiết diện tán xạ hình học của hạt (πr2 đối với hạt hình cầu bán kắnh r) gọi là các hiệu suất Qabs,
Qsca và Qext.
Các tắnh chất quang của các hạt nano kim loại, đặc biệt của các kim loại hiếm như Au, Ag và Cu có sự khác nhau rất lớn đối với khối hay màng mỏng của chúng, hình 2.5 là ảnh SEM của một tinh thể nano trong thuỷ tinh. Trong hình 2.6, chỉ ra sự khác nhau giữa phổ hấp thụ theo tắnh toán lý thuyết của màng Au mỏng (chấm xanh) và của hạt Au hình cầu 30nm trong nước (chấm đỏ), đường màu đen là phổ hấp thụ đo từ mẫu Au hình cầu có đường kắnh 30nm
Hình 2.6 chứng tỏ một sự khác biệt giữa tắnh chất quang của các hạt nano kim loại và màng mỏng. Trong khi màng mỏng hấp thụ ánh sáng qua vùng khả kiến và vùng gần hồng ngoại do hấp thụ electron tự do thì đối với hạt nano quá trình này bị dập tắt mạnh đối với các năng lượng thấp hơn 2eV (tương ứng với bước sóng lớn hơn 620nm). Tất cả cường độ của các dao động điện tử tự do trong hấp thụ được đẩy vào đỉnh hấp thụ lưỡng cực khoảng 2,25eV- sự cộng hưởng hạt plasmon bề mặt lưỡng cực. Tắnh chất quang này dẫn tới các màu sắc rõ nét của các hạt nano kim loại quý. Đối với các năng lượng cao hơn cộng hưởng lưỡng cực, sự hấp thụ quang của các hạt và tấm phim là như nhau, do sự chiếm ưu thế của dịch chuyển d-sp mà nổi bật là đối với Au và Cu trong vùng lân cận của cộng hưởng plasmon lưỡng cực, còn đối với hạt Ag thì ắt hơn.
Thông thường, vị trắ phổ, sự tắt dần và cường độ của các lưỡng cực cũng như cộng hưởng plasmon bậc cao của các đơn hạt nano kim loại phụ thuộc vào chất liệu, kắch thước, cấu hình và hàm điện môi của vật liệu chủ xung quanh. Chúng ta xét cụ thể đối với các hạt có kắch thước nhỏ và lớn.