Hàng trăm năm trước, con người đã biết sử dụng những hạt nano kim loại pha tạp vào trong vật liệu thuỷ tinh để thu được những mẫu thuỷ tinh có màu sắc tuyệt đẹp. Tuy nhiên, người đầu tiên nhận biết sự tồn tại của những hạt nano kim loại là Michael Faraday khi ông tổng hợp thành công loại vật liệu này vào năm 1857. Ông quan sát được mẫu đo hồng ngọc và mẫu vàng trên vật liệu ông tạo ra. Mẫu vật liệu đó hiện nay vẫn tồn tại cân bằng và được trưng bày trong viện bảo tàng London. Sau đó, năm 1908, Mie là người đầu tiên đặt nền tảng lý thuyết để giải thích hiện tượng này trên trên cơ sở những phương trình Maxwell.
Kim loại có thể được xem như một khối plasma của điện tích dương và những electron dẫn bị giam cầm trong một không gian xác định. Thông thường, đám mây điện tích của những ion dương và đám mây điện tích của ion âm có tâm trùng nhau. Nếu chúng ta đặt một nhiễu loạn, ví dụ như một trường điện từ biến thiên, hai đám mây điện tích này sẽ bị lệch đi. Đám mây điện tử sẽ bị dịch đi khỏi vị trí cân bằng. Nếu nồng độ điện tử trong một vùng tăng lên, nhưng điện tử có xu hướng đẩy lẫn nhau và trở về trạng thái cân bằng ban đầu. Nhưng khi electron di chuyển về vị trí cân bằng ban đầu, chúng thu thập động năng và vì vậy thay vì hồi phục về vị trí cân bằng ban đầu, chúng lại dao động xung quanh vị trí này. Những dao động này gọi là plasmon. Chúng là nguyên nhân xuất hiện một dải hấp thụ khá mạnh trong vùng khả kiến. Với vật liệu kim loại khối, tần số dao động plasmon có thể tính theo công thức sau:
ωp = 4πne2
Ứng với vật liệu vàng ở dạng khối, năng lượng của dao động plasmon vào khoảng 9.0 eV. Tuy nhiên, với nhhững hạt nano vàng, tần số dao động plasmon này rơi vào vùng UV – VIS.
Chúng ta đã biết, độ xuyên sâu của một sóng điện từ vào trong lòng một kim loại là rất khó. Do đó, những electron trên lớp bề mặt kim loại mới thực sự bị kích thích bởi sóng điện từ, và vì vậy, plasmon sinh ra thường chỉ trên bề mặt. tiết diện tán xạ và hấp thụ (gọi chung là tiết diện dập tắt) sóng điện từ của một hạt nano được tính bởi công thức sau:
𝐶𝑒𝑥𝑡 =24𝜋2𝑅3𝜀𝑚3/2
𝜆
𝜀′′
𝜀′+2𝜀𝑚 2+𝜀′′2 (4) Với: R là bán kính của hạt.
λ là bước sóng của sóng điện từ chiếu tới
ε’ và ε’’ lần lượt là phần thực và phần ảo của hàm điện môi của
vật liệu; εm là hăng số điện môi của môi trường xung quanh.
Tiết diện này sẽ đạt giá trị cực đại khi biểu thức trong ngoặc của (4) bằng không. Khi đó sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. vị trí của vùng cộng hưởng plasmon bề mặt này phụ thuộc vào hình dạng và kích thướcc của một hạt nano và hằng số điện môi của môi trường xung quanh hạt. Kích thước của một hạt nano bạc chỉ vào cỡ 10 nm, vì thế cộng hưởng plasmon bề mặt có peak tại vị trí 420 nm.