金納米棒

金納米棒是一種尺度從幾納米到上百納米的棒狀金納米顆粒。金是一種貴金屬材料，化學性質非常穩定，金納米顆粒沿襲了其體相材料的這個性質，因此具有相對穩定，卻具有非常豐富的化學物理性質。金納米棒的表面等離子體共振波長可以隨長寬比變化，從可見(550 nm)到近紅外(1550 nm)連續可調，極高的表面電場強度增強效應(高至10e7倍)，極大的光學吸收、散射截面，以及從50%到100%連續可調的光熱轉換效率。由於它獨特的光學、光電、光熱、光化學、以及分子生物學性質，金納米棒在材料科學界正受到強烈的關注，並引發眾多材料學家、生物化學家、醫學家、物理學家、微電子工程師等科研工作者對之進行廣泛和深入的研究。

晶體生長法已成為當今化學方法合成高純度溶劑相金納米棒膠體溶液的最有效途徑。十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)是金納米棒合成中最常用的表面活性劑之一（CTAB作為表面活性劑和穩定劑而存在）。

金納米棒的表面等離子體共振會引起其對可見與近紅外波段特定波長光的散射和吸收，因此，可見、紅外消光光譜法可用於表徵即時合成的金納米棒膠體溶液的光學性質，即其中金納米棒的表面等離子體共振性質。暗場散射法亦常被用於表徵單個金納米棒表面等離子體共振引發的光散射性質。

金納米棒是一種棒狀金納米顆粒，長度在20 nm到200 nm範圍連續可調，寬度在5 nm到100 nm範圍連續可調。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡常被用於對金納米棒的形貌結構進行表徵。其中高分辨透射電子顯微鏡可用於表徵金納米棒的晶格結構和表面晶面分佈。

在水中由十六烷基三甲基溴化銨穩定的金納米棒表面可顯示出高指數晶面。其化學活性遠高於由其他低指數晶麵包圍的金納米顆粒。高指數晶麵包圍的金納米棒還可以作為模板誘導生成鈀的高指數晶面，這種鈀的衍生高指數晶面具有極高的催化活性，可用於高通量催化Suzuki偶聯反應(Suzuki Coupling)。

1. 體外診斷：基於金納米棒的表面等離子體共振性質而開發的生物感測器可被用於生物醫學上的體外診斷。詳情參見下文“在感測器方面的應用”。　2. 體內成像：金納米棒在近紅外波段對光有強烈的散射，而生物體在這個波段的散射背景較弱，這使得金納米棒可以作為基於光散射的生物成像對比劑。由於金納米棒的高穩定性、低毒性，並且其光散射效應沒有熒光淬滅類似的失效途徑，這些優良的性質使得金納米棒成為優於傳統的基於染料或半導體量子點的染色劑。

3. 體內治療：金納米棒總的消光包括散射和吸收兩部分，對於直徑小於10 nm的金納米棒，光的吸收遠大於散射，而吸收的這部分能量最終將通過晶格的弛豫轉化為熱能。另一方面，對於生物體來說，近紅外波段的輻射具有窗口效應，該頻段的輻射能夠以微弱的損失穿透生物體組織。因此可以利用金納米棒在近紅外波段較高的光吸收截面和優良的光熱轉換效率來製造光熱療法的試劑。通過在金納米棒表面包覆一層與體液相容性良好的聚合物分子，金納米棒可以在生物活體內進行長達15小時的流通與傳輸。科學家已經證明，金納米棒以及相關的納米結構可以通過光熱療法，在較小的光照劑量下殺死癌細胞。

在相同溫度和化學物理環境下，鈀或鉑包覆的金納米棒具有比相同劑量純鈀或純鉑催化劑具有更高的催化活性，同時兼具較好的穩定性。特別是在有光線(例如日光)照射的情況下，這種複合催化劑中的金納米棒可以吸收光能並轉化成熱能，這種光熱轉換使得金納米棒表面十幾個納米範圍內的局域溫度提升幾十到幾百攝氏度。這種局域溫度的提升一方面為催化反應在納米顆粒表面的進行提供溫度活化，另一方面又節省了將整個溶液體系加熱所需的能量。是一種更綠色、更節能的催化劑。科學家們相信鈀或鉑包覆的金納米棒可能具有更高的催化選擇性，但這個命題是否成立仍有待實驗驗證。

1. 表面增強拉曼散射：單分散、或是耦合的金納米棒有極強的表面電場增強效應，在表面增強拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)的應用中能作為拉曼增強劑使用。金納米棒拉曼增強劑比傳統的銀納米顆粒拉曼增強劑具有更高的物理和化學穩定性，更長的儲存時間和使用壽命。這使金納米棒在基於拉曼散射信號的感測器中擁有極佳的應用機會。

2. 基於折射率敏感度的微量分子探測：金納米棒周圍幾個納米範圍內的介質可以顯著影響它的表面等離子體共振性質：隨著介質折射率的增大，金納米棒表面等離子體共振峰會隨之紅移。紅移的相對大小可用折射率敏感度來衡量。這一性質是的金納米棒可被用於微量分子的檢測。

3. 基於納米顆粒組裝的微量分子、離子探測：在某些特定分子或離子的作用下，裸露的或者具有表面修飾的金納米棒會以有序的方式進行組裝，或者以無序的方式發生團聚。金納米棒的組裝或團聚會引起其特徵光譜的變化（某些情況下可憑肉眼直接觀察其顏色變化），基於這種原理可以探測這些特定分子或離子在溶液中的存在，進而確定其含量。

4. 基於能級共振耦合效應的微量分子、離子探測：通過靜電相互作用，帶電荷的染料分子可被吸附在金納米棒的表面。當金納米棒的表面等離子體共振能級與吸附在其表面的染料分子的吸收能級簡併時，這個系統會發生能級共振耦合效應，這種共振耦合會造成金納米棒等離子體共振峰的大幅移動。在溶液中一些其他特定分子或離子的作用下，表面靜電吸附的染料分子會脫吸附而離開金納米棒的表面，從而消除共振耦合效應，並引起等離子體共振峰的回移。基於這種原理，可以探測這些特定分子或離子在溶液中的存在。

1. 近紅外濾光片：由於其在近紅外波段強烈的吸收，金納米棒可用於製作濾光片。

2. 非線性光學元件：表面等離子體共振導致金納米棒表面電場強度被極大的增強(高至10e7倍)，這種電場增強效應降低了達到非線性效應所需的照射光強閾值，從而可被用於製造各種非線性光學元件。

3. 偏振片：金納米棒擁有一個平行於長軸方向和兩個簡併的垂直於長軸方向的等離子體共振模式，分別被稱為軸向表面等離子體共振模和徑向表面等離子體共振模。其中徑向表面等離子體共振模處於500 nm至 530 nm，調諧範圍小，強度弱。而長軸表面等離子體共振模隨長徑比變化可在可見(550 nm)至近紅外波段(1550 nm)連續可調，強度遠高於徑向模式，並且為平行於長軸方向的線偏振模式。如果將金納米棒按照一個方向排列起來，則偏振方向平行於這個方向的光場分量將被金納米棒的軸向等離子體共振模吸收，而偏振方向垂直於這個方向的光場分量則不受影響的透過。基於這個原理可以製成波長範圍在550 nm到1550 nm的金納米棒偏振片。

為了節省半導體原材料的用量，薄膜型太陽能電池的吸收層膜厚可薄至幾百個納米。當半導體吸收層厚度低於微米量級時，其本身已不足以吸收全部入射光線，此時便需要輔以適當的結構和材料來增加半導體吸收層的吸光效率。強散射型金納米棒，由於其較低的光熱能量損失和在可見及近紅外波段極強的場增強效應，可以增加薄膜太陽能電池中吸收層在這個波段的吸光效率，從而增加太陽能電池的整體光伏轉換效率。

通過精確控制的合成手段和后處理手段，可生產出形貌極其均一的金納米棒膠體溶液。其中金納米棒的長度可從20 nm 到200 nm連續可調，寬度可從5 nm到100 nm連續可調。這種個體差異極小的金納米棒可用作納米尺度下的標準參照物。

金納米棒在從可見(550 nm)到近紅外(1550 nm)可以有連續的波長響應。尤其是在近紅外波段的光學響應，可使金納米棒成為絕佳的防偽材料。利用在紅外不同波段響應的金納米棒，可以組成納米紅外條形碼，這種肉眼不可分辨的條形碼，能在紅外顯示器件上顯示出不同的數字組合，甚至圖案組合，以適用於高端防偽需求。

金納米棒的波長可調性以及偏振依賴特性可以用來製備大容量信息存儲設備。2009年5月澳大利亞斯溫伯恩科技大學的顧敏教授等人在《自然》雜誌上發表論文，闡述了如何利用金納米棒來製造下一代大容量五維信息存儲媒介。製造原理是金納米棒可因其形狀不同而對不同波長的光起反應，研究人員因此能在同一張光碟上錄製不同波長的顏色信息，加上原有的空間三維，存儲容量便大大擴增，這與現有隻能錄製單一波長顏色的DVD相比是一大進步。而光碟的第五維是利用光的偏振特點製造，這使光碟可錄製多層不同角度的信息，而且各層信息之間不會產生干擾。利用該報道的新存儲技術，一個現有DVD大小的光碟理論上可存儲1600G的數據。與此相比，現有DVD光碟的容量一般在4GB左右，而取代DVD的藍光光碟也只能存儲50G的信息。

由於在製造納米光子集成電路上的無限潛力，基於表面等離子體激元的納米光子學，即表面等離子體激元學，受到了全球龐大的微電子工業的廣泛關注。傳統光子學元件的尺寸往往限制在微米以上，但能工作在上百太赫茲(10^12 Hz)的頻率，運行速度極快；而微電子元件的尺寸已能縮小到幾十納米，卻最高只能工作在吉赫茲頻率(10^9 Hz)，運行速度相對較慢。如果能將光子線路整合到微電子線路中，將有可能大大提高傳統微電子晶元的處理速度。但是，光子學元件和微電子元件的尺寸差距極大地妨礙了它們的整合，從而阻礙了利用光子學元件提高微電子線路運行速度的可能。正因為此，基於表面等離子體激元的納米光子集成線路成為解決這個尺寸匹配問題的關鍵因素。為了實現表面等離子體激元納米光子集成線路，我們需要那些與基本的微電子元件相對應的表面等離子體激元元件。到目前為止，這方面的突破性工作都集中在被動型表面等離子體激元元件，例如等離子體激元波導，諧振器和耦合器。而關於主動型表面等離子體激元元件的研究卻十分有限，例如表面等離子體激元調製器和開關。香港中文大學王建方教授研究組報道了一種基於金納米棒可控共振耦合的表面等離子體開關。這樣一個開關由單個金納米棒和其周圍的光至變色分子組成，大小不到一百納米，金納米棒和分子都被封裝在一層二氧化硅薄膜中。而它的開關屬性則是由紫外光來觸發，由暗場散射技術來監測。操縱這樣單個表面等離子體激元開關所需要的觸發功率和能量只有大約13pW和39pJ，而它的調製深度則可以達到7.2dB。這種光控等離子體激元開關可以作為納米光子線路中的一個開關元件，從而能夠於微電子元件很好的耦合，解決它們之間的尺寸匹配問題。