含时轨道自由密度函数方法(TD-OFDFT)研究量子尺寸金属纳米粒子的局域表面等离子体共振

基本信息
批准号:51601187
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:20.00
负责人:项红萍
学科分类:
依托单位:同济大学
批准年份:2016
结题年份:2019
起止时间:2017-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:汤莹莹,崔美艳,王琳,徐锦秋,邱超群,张万万
关键词:
大尺度量子模拟时间相关的轨道自由密度函数理论局域表面等离子体共振量子尺寸纳米粒子单粒子和多聚体
结项摘要

The localized surface plasmon resonances (LSPRs) are electromagnetic modes of metal nanoparticles, associated with the collective oscillations of the free electrons on metal particles surfaces. Under resonant excitation, metal nanoparticles present a variety of light–matter interactions, leading to novel applications in many important fields. Although the plasmon resonances of nanoparticles with diameters exceeding 10 nm (classical size) have been well characterized, LSPRs of nanoparticles below this size (quantum size) are poorly understood. That is because in quantum size regime, plasmon resonances become more sensitive to the quantum nature of the conduction electrons, resulting in an extremely challenging in both experimental and theoretical investigations. In theory, the quantum size, especially 2nm–10nm, is too small for classical electromagnetic theories to be valid but too large for full-fledged quantum simulations to be feasible. In this proposal, first we will use the developed time-dependent orbital-free density functional theory (TD-OFDFT), which has been proved to retain the high accuracy at a fraction of its computational cost, to study the LSPRs properties of quantum-size sodium single and coupled nanoparticles. Based on these studies, we want to build the relationship between the intrinsic factors of shape, size, the arrangement of particles and the distance between particles, and LSPRs properties, in order to provide the important theoretical basis for experiments. Second, we will develop the noble metal Ag available TD-OFDFT, applying this method to study the actual LSPRs system.

局域表面等离子体共振(LSPRs)是金属纳米粒子特有的电磁模式,源于导电电子在金属表面的集体振荡。处于共振激发时金属纳米粒子表现出许多有趣的光-物质相互作用,使其应用于众多重要领域。尽管经典尺寸(直径大于10纳米)纳米粒子的LSPRs性质已被充分地研究,然而当纳米粒子进入量子尺寸(直径小于10纳米)LSPRs对导电电子的量子性质变得非常敏感,致使实验和理论上面临极大的挑战。理论上经典理论不能描述量子效应;而全量子理论由于计算量太大又不能计算大尺寸体系(2-10纳米)。在本课题中,我们首先将采用适用于金属钠的赝势含时轨道自由密度函数方法(Na-TD-OFDFT,已被证明计算成本低且高精度)研究量子尺寸钠纳米单粒子和多聚体的LSPRs性质。建立纳米粒子形状、尺寸、粒子间的排列方式和距离与LSPRs性质之间的关系,为实验研究提供理论依据。其次,我们将发展适用于金属银的赝势TD-OFDFT方法。

项目摘要

我们采用赝势含时轨道自由密度函数方法,系统地研究了纳米粒子的形状与粒径以及排列方式对量子尺寸金属纳米粒子局域表面等离子体共振(LSPRs)的响应模式、能量和峰宽的影响规律。揭示了纳米粒子的LSPRs纵向响应模式的能量与粒子的长径比呈线性关系,峰宽与长径比和粒径大小成反比;横向响应的高阶模式随长径比的增大而增强。阐明了相对于外场纳米粒子的排列方式只影响LSPRs纵向和横向响应模式的吸收强度,而不会影响响应波长。基于我们的研究结果,可通过调整纳米粒子的长径比和排列方式来实现金属纳米材料吸收波长的调控,以及金属纳米棒在纵向和横向响应模式之间的切换。此外结合我们的理论研究,与实验课题组开展了金属纳米粒子的光学性质研究以及它在催化领域的应用。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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