原子精确的金纳米团簇光学性质的演变

金纳米颗粒（直径2.2-100 nm）具有表面等离子体共振吸收（surface plasmon resonance），同时其光学性质可以通过调节其尺寸和形貌进行控制。超小尺寸的金纳米颗粒（直径小于2.2 nm，也称金纳米团簇）由于量子限域效应而呈现分子性质，具有分立能级和多个吸收峰。近年来，具有原子精度的金纳米团簇的研究获得快速发展，目前已可以实现精确合成包含十几个到数百个金原子的金纳米团簇。为了更进一步理解不同尺寸和结构的金团簇的光学性质，美国卡耐基梅隆大学化学系Meng Zhou (博士后) 和Rongchao Jin (教授) 等通过比较一系列不同尺寸硫醇配体保护的金纳米团簇的稳态和瞬态吸收光谱、带隙以及载流子动力学，提出了金纳米团簇从不可期 (Nonscalable) 到可期 (Scalable) 的光学性质的演变这一重要概念。

金团簇的光学性质受到尺寸和结构的共同影响，因此具有原子精度的金团簇成为研究团簇光学性质演变的理想对象。通过对不同尺寸和结构的一系列金纳米团簇的研究发现，其光学性质的演变可以分为三个阶段：(1) 不可期团簇 (小于50个金原子左右)，该尺寸下金团簇的光学性质主要由其结构决定，其尺寸对于吸收、带隙及载流子寿命的影响都较小；(2) 中间尺寸团簇 (约50-100个金原子)，该尺寸下金团簇的光学性质由尺寸和结构共同影响，其吸收光谱仍与结构相关，带隙和载流子寿命随着尺寸增大逐渐减小；(3) 可期团簇 (大于100个金原子)， 该尺寸下的团簇结构效应逐渐消失，吸收光谱明显展宽并且趋于相似，带隙、载流子寿命随着尺寸变大显著减小，光学性质完全由尺寸决定。当金原子数大于279之后，团簇的多个吸收峰消失，表面等离子体共振吸收出现，同样表现为可数的光学性（图1）。发现团簇的光学性质从不可期到可期的演变对于全面理解不同尺寸金团簇的性质以及拓展其相关应用具有重要的指导意义。

图1 不同尺寸金纳米团簇光学性质的演变。

这一成果发表在近期的Journal of the American Chemical Society，文章的共同一作是博士后周蒙、博士生Tatsuya Higaki和博士生李颖薇。

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Three-Stage Evolution from Nonscalable to Scalable Optical Properties of Thiolate-Protected Gold Nanoclusters

Meng Zhou#, Tatsuya Higaki#, Yingwei Li, # Chenjie Zeng, Qi Li, Matthew Y. Sfeir, Rongchao Jin

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 19754-19764. DOI: 10.1021/jacs.9b09066

导师介绍

Rongchao Jin

https://www.x-mol.com/university/faculty/523