"Quantum plasmon resonances of individual metallic nanoparticles". J. A. Scholl, A. L. Koh, J. A. Dionne. NATURE 483, 421 (2012). DOI: 10.1038/nature10904
The plasmon resonances of metallic nanoparticles have received
considerable attention for their applications in nanophotonics, biology,
sensing, spectroscopy and solar energy harvesting. Although thoroughly
characterized for spheres larger than ten nanometres in diameter, the
plasmonic properties of particles in the quantum size regime have been
historically difficult to describe owing to weak optical scattering,
metal–ligand interactions, and inhomogeneity in ensemble measurements.
Such difficulties have precluded probing and controlling the plasmonic
properties of quantum-sized particles in many natural and engineered
processes, notably catalysis. Here we investigate the plasmon resonances
of individual ligand-free silver nanoparticles using
aberration-corrected transmission electron microscope (TEM) imaging and
monochromated scanning TEM electron energy-loss spectroscopy (EELS).
This technique allows direct correlation between a particle’s geometry
and its plasmon resonance. As the nanoparticle diameter decreases from
20 nanometres to less than two nanometres, the plasmon resonance shifts
to higher energy by 0.5 electronvolts, a substantial deviation from
classical predictions. We present an analytical quantum mechanical model
that describes this shift due to a change in particle permittivity. Our
results highlight the quantum plasmonic properties of small metallic
nanospheres, with direct application to understanding and exploiting
catalytically active and biologically relevant nanoparticles.
Las resonancias plasmónicas de nanopartículas metálicas han recibido considerable atención debido a sus aplicaciones en nanofotónica, biología, sensores, espectroscopia y en colección de energía solar. A pesar de que están ampliamente caracterizadas para esferas de diámetro mayor a los diez nanómetros, las propiedades plasmónicas de las partículas en régimen de tamaños cuánticos han sido históricamente difíciles de describir debido a su dispersión óptica débil, sus interacciones metal-ligante, y la falta de homogeneidad en los conjuntos de partículas medidos. Tales dificultades han impedido probar y controlar las propiedades plasmónicas de partículas de tamaño cuántico en muchos procesos naturales y artificiales, en particular en catálisis. Aquí se investigan las resonancias plasmónicas de nanopartículas individuales, de plata y sin ligantes, usando imagenología libre de aberraciones con microscopia electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS) con escaneo TEM monocromático. Esta técnica permite una correlación directa entre la geometría de la partícula y su resonancia plasmónica. Conforme el diámetro de la nanopartícula disminuye de 20 nanómetros a menos de dos nanómetros, la resonancia plasmónica se desplaza 0.5 electronvolts hacia energías mayores, lo que representa una desviación substancial respecto a las predicciones clásicas. Se presenta un modelo analítico mecánico cuántico que describe este desplazamiento a partir de un cambio en la permitividad de la partícula. Los resultados resaltan las propiedades plasmónico cuánticas de pequeñas nanoesferas metálicas, y están dirigidos directamente al entendimiento y al uso de nanopartículas con actividad catalítica y biológica relevante.
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