大學物理相關內容討論:粒子性表面電漿子共振

當波前抵達介面邊緣時, 介面上每一點亦可視為一新波源. (例如：介面上分子的電子受電磁波電場的影響而振盪,. 產生相同頻率 ... 國立台灣師範大學物理系物理教學示範實驗教室(舊網站)物理問題討論區(黃福坤) 我們也針對科學教學建立開課系統:科學園,讓老師更方便運用網路科技輔助教學，歡迎教師多加利用！中學物理(維基) (學習物理不只是knowHOW更重要的是knowWHY,歡迎參考聞名全球的物理動畫,英文網頁NTNUJAVA以動畫為主) 白話物理 關鍵詞 最近天 物理名詞中英檢索 無法登入或系統功能不正常回報 討論區首頁>>物理課程相關問題(分成國中/高中/大學等區)>>大學物理相關內容討論>>粒子性表面電漿子共振 本區註冊且登入者方可留言 其他標題:粒子性表面電漿子共振 1:佩瑜(大學理工科系)張貼:2009-04-0215:14:48: 您好： 請問若有一70nm的奈米金粒子與520nm的綠光 產生粒子性表面電漿子共振（即會散射綠光），指的是金粒子表面的自由電子 吸收了綠光的電磁波能量而產生週期性的震盪，因為這個震盪 是電子的加速度運動，所以它又產生了520nm的電磁輻射，形同把綠光又散射了出去。

這樣解釋是正確的嗎？ 2:黃福坤(研究所)張貼:2009-04-0218:09:59:[回應上一篇] 金是良導體所有電磁波遇到良導體不就幾乎都反射回去當然若微觀看是表面的電子受震盪而產生新的波歡迎參考波行進至兩介質介面時的行為--反射與折射 3:佩瑜(大學理工科系)張貼:2009-04-0223:51:07:[回應上一篇] Quote:在2009-04-0218:09:59,黃福坤寫了:金是良導體所有電磁波遇到良導體不就幾乎都反射回去當然若微觀看是表面的電子受震盪而產生新的波教授您好： 謝謝您的回覆，請問「所有電磁波遇到良導體幾乎都反射回去」指的是因為 「其折射率很大」或是「其表面自由電子多」或是其他原因？ 我有參閱您介紹的網頁：波行進至兩介質介面時的行為--反射與折射 當中有提到： --------------------------------------------------------------------------------------- 當波前抵達介面邊緣時,介面上每一點亦可視為一新波源. (例如：介面上分子的電子受電磁波電場的影響而振盪, 產生相同頻率的電磁波即彈性散射）此波在兩不同介質中傳輸速率並不相同, 這些新波源相加後,分別形成反射波與折射波. ...........折射率相差越多,反射波相對強度越大. ------------------------------------------------------------------------- 請問若是像我所提到的「金屬粒子的尺寸小於波長」的情況下 是否也適用這樣的解釋？ 另外，我所提到的狀況是 「當用白光去照直徑70nm的金粒子，只有520nm的綠光會發生 粒子性表面電漿子共振（侷域性表面電漿子共振LSPR） ，進而散射綠光，其他波長的電磁波則會穿透」 如果用上述的解釋，是否是當波前遇到此金粒子的小範圍介面(相較於傳統的大面積的金屬-空氣介面) 所產生的新波源數目相對較少，所以這些較少數的新波源相加後形成的反射波 剛好只針對520nm是建設性的狀態，所以只看到綠光散射。

若是用我原來的解釋方法，亦即此金奈米粒子的表面自由電子共振吸收了520nm的電磁波去震盪而又 輻射出了520nm的綠光，我不知道這個解釋對不對，若對的話，我的疑問是，為何它只獨鍾綠光共振？ 是否和表面自由電子的狀態有關？因就我所看到的資料，同樣是奈米金，形狀或長短軸比不同的金粒子 其共振波長也會有所變化，或是奈米金粒子外面包覆氧化物的話，其共振波長會紅移，不知道是不是因為 其金屬表面自由電子受到阻礙而可共振頻率會變慢？若是不同金屬，我知道某個尺寸的奈米銀粒子其共振 波長是藍光，所以感覺起來好像是和表面電子狀態有關？ 煩請教授釋疑，謝謝！ 4:黃福坤(研究所)張貼:2009-04-0300:13:58:[回應上一篇] 你之前的留言並未提到用白光照射僅綠光會散色其餘光都穿透我以為是一般光線照到金屬表面你的資訊不夠清楚我相信不會是一束光照一顆直徑70nm的金粒子應該是否有種結構所謂白光也不清楚是甚麼光源真的只有單一波長會散色嗎?還是有頻譜分布狀況不清楚的條件下(或許你很清楚可是你並未說清楚) 討論會很難聚焦我也不知該如何回覆! 5:佩瑜(大學理工科系)張貼:2009-04-0300:42:15:[回應上一篇] 教授您好： 不好意思，我沒有說明清楚。

我是看到有些資料在解釋奈米金(特定尺寸與形狀)的溶液為何是紅色的？ 或是解釋法拉第的膠體金溶液為什麼是紅色的？ 或是提到大英博物館存放西元四世紀的萊氏杯(Lycurguscup) 當白光放杯外，杯子外壁看起來是綠色的(看到散射光)，當白光放裡面，   會看到杯子是紅色的(看到穿透光)，後來發現是因為杯子有金跟銀的奈米粒子，   這些現象都會用到粒子性表面電漿子共振的解釋，但並未進一步很仔細地說明，   所以我才會找了一些相關資料，但是在一知半解下提出上述的疑問。

  若有那裡需要我再描述更清楚的地方，請再告訴我，以利教授幫我解答上述疑問，謝謝！ 6:黃福坤(研究所)張貼:2009-04-0322:57:10:[回應上一篇] 根據你的訊息　直接查Britishmuseum發現下圖與敘述 TheLycurgusCup LateRoman,4thcentury ADProbablymadeinRome Adichroicglasscupwithamythological scene Thisextraordinarycupistheonlycomplete exampleofaveryspecialtypeofglass,knownasdichroic,which changescolourwhenhelduptothelight.Theopaquegreencup turnstoaglowingtranslucentredwhenlightisshonethroughit. Theglasscontainstinyamountsofcolloidalgoldandsilver,which giveittheseunusualoptical properties.Thecupisalso theonlyfiguralexampleofatypeofvesselknownasa 'cage-cup'.Thecupwasmadebyblowingorcasting athickglassblank.Thiswasthencutandgroundawayuntilthe figureswereleftinhighrelief.Sectionsofthefiguresare almoststandingfreeandconnectedonlyby 'bridges'tothesurfaceofthe vessel.Thesceneonthe cupdepictsanepisodefromthemythofLycurgus,akingofthe Thracians(around800BC).Amanofviolenttemper,heattacked Dionysos andoneofhis maenads, Ambrosia.AmbrosiacalledouttoMotherEarth,whotransformedher intoavine.Shethencoiledherselfabouttheking,andheldhim captive.ThecupshowsthismomentwhenLycurgusisentrappedby thebranchesofthevine,whileDionysos,aPananda satyr tormenthimforhisevilbehaviour.Ithasbeenthoughtthatthe themeofthismyth-thetriumphofDionysosoverLycurgus-might havebeenchosentorefertoacontemporarypoliticalevent,the defeatoftheemperorLicinius(reignedAD308-24)byConstantine inAD324.以下有一篇中文網頁有相關進一步的說明 從「變色的羅馬酒杯」談奈米光學在生化檢測的應用 7:佩瑜(大學理工科系)張貼:2009-04-0400:11:35:[回應上一篇] 教授您好： 非常謝謝您的回覆及提供之參考資料。

我很仔細的看了那篇文章，其中提到 ----------------------------------------------------- 這要歸因於一種稱為「表面電漿子共振」的物理現象。

這是因為金屬表面的自由電子會隨電磁場振盪而運動以反抗外在電磁場的穿透，當金屬奈米粒子大小遠小於光波波長時，在特定的頻率下會引發整體金屬奈米粒子內自由電子的集體運動，造成極強的遠場散射與極強的近場電場放大。

------------------------------------------------------- 「自由電子的集體運動，造成極強的遠場散射」 指的是否就是第一篇留言所提到的 「因為這個震盪是電子的加速度運動，所以它又產生了520nm的電磁輻射，形同把綠光又散射了出去」? 還是還有其他的機制而形成綠光散射？ 若就是因為電子加速而電磁輻射散射綠光的話，我的疑問是，為何它只獨鍾綠光共振？ 是否和表面自由電子的本質狀態有關？ (印象中一般某物體的震動共振頻率是某物體的自然頻率，自然頻率與此物體的本質特性有關) 不知道是否就是類似像這樣的概念？ 另外，所謂的「造成極強的近場電場放大」是為什麼呢？ 「放大」指的是相對於電磁波還沒來共振前的「表面自由電子的電場」而言嗎？ 當加入了共振電磁波的能量後，總能量增加了，所以近場電場變強，即放大了，是這個意思嗎？ 若是如此，當電子加速所造成的電磁輻射又把綠光(能量)散射出去後，是否近場電場又會恢復回來？ 或是說因為外加光源是連續照射，所以進場電場可以一直保持在所謂「放大」的狀態? 不好意思，不知不覺就提出了一連串的問題，再煩請教授撥空釋疑，尤其是第一個問題，謝謝您！ 8:黃福坤(研究所)張貼:2009-04-0400:35:17:[回應上一篇] 想一想金屬粒子在(電磁波)電場的作用下會受到電場影響而受力加速然後加速度會受到慣性(質量)影響正如一般物理系統都有其特定的共振頻率或範圍若頻率恰當則最容易產生共振(類似放大)!我本身並未研究該主題因此僅能依照基本物理觀念回覆詳細狀況建議徵詢進行相關研究的專家或找相關的學術論文! 9:佩瑜(大學理工科系)張貼:2009-04-0518:54:44:[回應上一篇] 教授您好： 非常謝謝您的熱心回覆與提供的建議及參考資料 ，我也會依照您的建議再去搜尋進一步的資料。

再次感謝！ 10:HydrogenDioxide張貼:2009-04-0714:15:46:[回應上一篇] surfaceplasmonresonace跟螢光的增益效應有關,而這個增益(enhacement)是指每單位面積燭光(即Luminanscence)因N-Au-particles的尺寸而發生的(正負)變化(還不清楚是線性的或是其他?)目前還在研究中 N-Au-particle是指奈米尺度的金粒子: 一些化學物質因一些function-groups在合成實驗中被他物取代留下一個或多個non-bonding電子對給Au(s)做鍵結. 神奇的是這鍵結後的Au-particles的"成長"還跟你當時做實驗的溫度有關(物理上的說法是熱平衡以及Ek=3kT/2) 這種成長後結晶 很像海洋中的島嶼若放在substrate上來看有著一點一點散開的分布(size各異)在表面物理上稱這些很像斑點的分布作"island(s)" ~僅提供我所知道的給你[這篇文章被編輯過:HydrogenDioxide在2009-04-0714:20:58][這篇文章被編輯過:HydrogenDioxide在2009-04-0714:21:37] 11:HydrogenDioxide張貼:2009-04-2118:02:49:[回應第7篇] ..[這篇文章被編輯過:HydrogenDioxide在2009-05-0615:49:08] 12:HydrogenDioxide張貼:2009-05-0615:50:52:[回應上一篇] 因為一些原因 請版主把以上我寫的delete! 13:HydrogenDioxide(研究所)張貼:2011-01-1211:21:05:[回應第1篇] 重新回應:Quote:在2009-04-0215:14:48,佩瑜寫了: 您好： 請問若有一70nm的奈米金粒子與520nm的綠光 產生粒子性表面電漿子共振（即會散射綠光），指的是金粒子表面的自由電子 吸收了綠光的電磁波能量而產生週期性的震盪，因為這個震盪 是電子的加速度運動，所以它又產生了520nm的電磁輻射，形同把綠光又散射了出去。

這樣解釋是正確的嗎？ 當奈米金粒子受到外界的電磁波的影響,會有吸收與散射的現象.由於粒子表面因電場加速粒子表面的電子作同調性的運動,這種運動為簡諧運動.電磁波的電場隨時間變化(大小和方向隨時間變化),所以粒子表面的電子會在電場偏振的方向來回振動.當振動的頻率跟電磁波相同時,這時候我們說電子有了共振的現象.電漿子則是電子群體運動的量子. 70nm的金粒子存在,過去有人以標準製程做出來(不只是70nm也可以是各種尺寸),通常都是球狀粒子(粒子一個一個堆積起來),這方面可以去找相關的paper來看. 注意我上面說的話:當振動的頻率跟電磁波相同時,這時候我們說電子有了共振的現象. 所以你當時問的問題,當然會是散射綠光.因為奈米金屬粒子在共振發生時所對應的入射光波長此時該粒子的吸收和散射都會是最大的.(你可以想一下橋梁受風吹動當達到自然頻率時是否橋梁振盪的最大?)所以該粒子(共振時)吸收綠光當然散射綠光. 我曾以分離偶極近似法的相關程式進行過奈米金和銀球狀/方塊狀/長方形..等的數值計算,透過程式與繪圖軟體有看到共振時電場分布的情形.這些電場的分布跟入射光波長有關,以工程的角度來講,就是因為輸入參數的時候就是將選定好的入射光(通常是可見光)值入相關檔案. 簡而言之,就是當奈米金屬粒子與電磁波共振時,會散射出最大的電場,反應出當時的入射光波長.所以給綠光會散射出綠光.但前提是這兩者發生共振,否則不會產生綠光.如果現在討論的是30nm的金粒子,則給綠光不會散射出綠光.因為共振時所對應的波長不同.依據我的數值計算的經驗,該粒子會散射出0.51um的可見光。

(70nm金球所散射出的光,是落在0.51um-0.52um之間) 你可以去看一篇跟粒子大小以及形狀有關的paper和Mie散射理論,是跟你所提問的有關. 14:佩瑜(大學理工科系)張貼:2011-01-1212:56:19:[回應上一篇] 謝謝您的回答 您提到「如果現在討論的是30nm的金粒子,則給綠光不會散射出綠光.............」 指的是因30nm的金粒子不與520nm的光共振，所以不會散射520nm的光，但根據您的計算， 30nm的金粒子只會與510nm的光共振，而只散射出510nm的光， 是這樣的意思嗎？ 因為510-520nm都是綠光，所以想確認您所謂的「給綠光不會散射出綠光」是不是上述的意思。

另外，當產生表面電漿子共振時，會有近場的電場放大及遠場散射，其中遠場散射就如同您所言， 是因表面電子吸收共振光產生群體運動而散射出相同波長之光，亦即吸收的能量又散射出去了， 那近場的電場放大，其能量又是從何而來呢？ 是因為其吸收入射共振光後並未將能量百分之百散射出去，而留一部分能量來讓近場電場放大， 但若真是如此，又會覺得怪怪的，因為表面電子被入射共振光電磁場加速而輻射出散射光能量， 並非電子本身能控制的，理應將吸收之能量全數散射出去，怎會留一部分能量來讓近場電場放大呢？ 或是「近場電場放大」只是一個要讓光散射出去的過程中的一個過渡狀態罷了。

亦即整個過程1.表面電子吸收入射共振光 2.表面電子產生群體運動(此過程讓近場電場放大) 3.電子加速運動過程中輻射出電磁波(散射光) ，第一階段所吸收的能量在第二階段短暫的轉移給近場電場放大，但最終還是全部能量轉移至散射光。

15:HydrogenDioxide(研究所)張貼:2011-01-1213:56:33:[回應第5篇] (自然界中的可見光照射到奈米金屬粒子,它的光頻率分布是各種波段都有,但是當我們要進行數值計算的時候,通常是一個波段一個波段去照射粒子.因為這樣取數據會比較方便一點,也比較不會亂.但是代價是要花很長的時間去讓計算機跑.) Quote:在2009-04-0300:42:15,佩瑜寫了: 我是看到有些資料在解釋奈米金(特定尺寸與形狀)的溶液為何是紅色的？ 或是解釋法拉第的膠體金溶液為什麼是紅色的？ 如果是巨觀的塊材的金,則顏色是金黃色無疑.但是當金的尺度在奈米的數量級的時候,不會是金黃色.這是因為對於不同波長的可見光之散射及吸收效應與巨觀的散射不同.  [quote]在2011-01-1212:56:19,佩瑜寫了: 謝謝您的回答 您提到「如果現在討論的是30nm的金粒子,則給綠光不會散射出綠光.............」 指的是因30nm的金粒子不與520nm的光共振，所以不會散射520nm的光，但根據您的計算， 30nm的金粒子只會與510nm的光共振，而只散射出510nm的光， 是這樣的意思嗎？ [quote]各種波長的光都會被散射,只是0.51um的光是和30nm的金球作表面電漿子的共振.(作奈米科學的研究,看到沒,要說明清楚物質種類其尺寸與形狀.我在數值計算的時候,每當取得一個數據都要編寫清楚檔名,否則很容易亂掉喔.) Quote: 因為510-520nm都是綠光，所以想確認您所謂的「給綠光不會散射出綠光」是不是上述的意思。

其實我前面有筆誤,0.51um還是綠光的範圍,我當時要表達的是30nm金球和70nm金球兩者間共振所對應的波長不同. 妳可能要跟我一樣進行相關的數值計算,才容易體會喔! Quote:另外，當產生表面電漿子共振時，會有近場的電場放大及遠場散射，其中遠場散射就如同您所言， 是因表面電子吸收共振光產生群體運動而散射出相同波長之光，亦即吸收的能量又散射出去了， 那近場的電場放大，其能量又是從何而來呢？ 我說的都是近場,我在本篇從未說遠場喔!並不是遠場的散射. 你問的放大,那是一種比值,跟外界提供的能量無直接關連.近場的放大是指物體外面的電場比上物體內部的電場.依照準靜近似(quasi-staticapproximation)的理論,的確就如下你所講的2.表面電子產生群體運動(此過程讓近場電場放大)所以你畫張圖,會看到表面電子群體被推到一端,而由於時變電場的關係,另外一端也有電子群體聚集,這樣子電場不就被集中在兩端,形成所謂的『放大』了嗎? 當然此現象存在於奈米金屬粒子(時變電場會整個穿過奈米金屬粒子),如果是巨觀的物體就不會如此了. Quote: 亦即整個過程1.表面電子吸收入射共振光 2.表面電子產生群體運動(此過程讓近場電場放大) 3.電子加速運動過程中輻射出電磁波(散射光) ，第一階段所吸收的能量在第二階段短暫的轉移給近場電場放大，但最終還是全部能量轉移至散射光。

16:HydrogenDioxide張貼:2011-02-0102:29:30:[回應第7篇] Quote:在2009-04-0400:11:35,佩瑜寫了: 另外，所謂的「造成極強的近場電場放大」是為什麼呢？ 「放大」指的是相對於電磁波還沒來共振前的「表面自由電子的電場」而言嗎？ 當加入了共振電磁波的能量後，總能量增加了，所以近場電場變強，即放大了，是這個意思嗎？ 若是如此，當電子加速所造成的電磁輻射又把綠光(能量)散射出去後，是否近場電場又會恢復回來？ 或是說因為外加光源是連續照射，所以進場電場可以一直保持在所謂「放大」的狀態? 你可以由以下的計算結果看到在0.51μm的入射光的電場之影響下,30nm金粒子的電場『放大』的現象: PS:你面所談到的連續照射,應該不是,有空我們再討論.                                                                                                              新年愉快Quote:在2009-04-0400:35:17,黃福坤寫了:想一想金屬粒子在(電磁波)電場的作用下會受到電場影響而受力加速然後加速度會受到慣性(質量)影響正如一般物理系統都有其特定的共振頻率或範圍若頻率恰當則最容易產生共振(類似放大)!我本身並未研究該主題因此僅能依照基本物理觀念回覆詳細狀況建議徵詢進行相關研究的專家或找相關的學術論文!當外加光場沒有對奈米金屬粒子產生共振,粒子的近場還是有放大(enhancement)的現象。

只是說，共振時粒子的吸收與散射效益都是最強的。

17:HydrogenDioxide張貼:2011-03-1423:16:07:[回應第1篇] to高中生：有關前術提到的羅馬酒杯,是你們99年度學測：自然考科，第59題題目。

(剛好上網搜尋發現的 18:HydrogenDioxide(研究所)張貼:2012-06-0312:35:07:[回應第13篇] Quote:在2011-01-1211:21:05,HydrogenDioxide寫了:重新回應:Quote:在2009-04-0215:14:48,佩瑜寫了:您好：請問若有一70nm的奈米金粒子與520nm的綠光產生粒子性表面電漿子共振（即會散射綠光），指的是金粒子表面的自由電子吸收了綠光的電磁波能量而產生週期性的震盪，因為這個震盪是電子的加速度運動，所以它又產生了520nm的電磁輻射，形同把綠光又散射了出去。

這樣解釋是正確的嗎？當奈米金粒子受到外界的電磁波的影響,會有吸收與散射的現象.由於粒子表面因電場加速粒子表面的電子作同調性的運動,這種運動為簡諧運動.電磁波的電場隨時間變化(大小和方向隨時間變化),所以粒子表面的電子會在電場偏振的方向來回振動.當振動的頻率跟電磁波相同時,這時候我們說電子有了共振的現象.電漿子則是電子群體運動的量子.70nm的金粒子存在,過去有人以標準製程做出來(不只是70nm也可以是各種尺寸),通常都是球狀粒子(粒子一個一個堆積起來),這方面可以去找相關的paper來看.注意我上面說的話:當振動的頻率跟電磁波相同時,這時候我們說電子有了共振的現象.所以你當時問的問題,當然會是散射綠光.因為奈米金屬粒子在共振發生時所對應的入射光波長此時該粒子的吸收和散射都會是最大的.(你可以想一下橋梁受風吹動當達到自然頻率時是否橋梁振盪的最大?)所以該粒子(共振時)吸收綠光當然散射綠光.補充：對於巨觀金屬粒子（物體），其顏色形成的機制就又與奈米大小同樣材質　同樣形狀的粒子卻又不一樣了。

第一，消光係數不同。

（主要原因為cross-sectionarea不同)第二，巨觀物體的顏色形成是Rayleigh散射（或幾何散射）。

粒如白色牆壁漆的顏色之所以為白色，是因為全部顏色的光線都被牆壁吸收而只散射出組成白色的那些混合頻率的光線。

若以分子的角度來看，其散射出的光波波長遠大於該牆壁漆某分子的幾何尺寸，屬於遠場機制，即遠場光學的範疇。

　但，奈米金屬物體的顏色之形成機制確非如此。

其顏色形成的機制為近場光學(Near-FieldOptics)的現象。

　之前談的：就是給奈米金屬粒子綠光（共振時）則散射出綠光。

本區註冊且登入者方可留言回首篇留言 黃福坤修改,轉成中文版面並增加功能從2011/06/15起 對本討論區有何疑問請Ruby:onlineid=0:time=1637854106/Nov:2523:11:pagetime=1s