金納米顆粒（直徑2.2-100 nm）具有表面等離子體共振吸收（surface plasmon resonance），同時其光學性質可以通過調節其尺寸和形貌進行控制。超小尺寸的金納米顆粒（直徑小於2.2 nm，也稱金納米團簇）由於量子限域效應而呈現分子性質，具有分立能級和多個吸收峰。近年來，具有原子精度的金納米團簇的研究獲得快速發展，目前已可以實現精確合成包含十幾個到數百個金原子的金納米團簇。為了更進一步理解不同尺寸和結構的金團簇的光學性質，
美國卡耐基梅隆大學化學系Meng Zhou (博士後) 和Rongchao Jin (教授) 等通過比較一系列不同尺寸硫醇配體保護的金納米團簇的穩態和瞬態吸收光譜、帶隙以及載流子動力學，提出了金納米團簇從不可期 (Nonscalable) 到可期 (Scalable) 的光學性質的演變這一重要概念。金團簇的光學性質受到尺寸和結構的共同影響，因此具有原子精度的金團簇成為研究團簇光學性質演變的理想對象。通過對不同尺寸和結構的一系列金納米團簇的研究發現，其光學性質的演變可以分為三個階段：(1) 不可期團簇 (小於50個金原子左右)，該尺寸下金團簇的光學性質主要由其結構決定，其尺寸對於吸收、帶隙及載流子壽命的影響都較小；(2) 中間尺寸團簇 (約50-100個金原子)，該尺寸下金團簇的光學性質由尺寸和結構共同影響，其吸收光譜仍與結構相關，帶隙和載流子壽命隨著尺寸增大逐漸減小；(3) 可期團簇 (大於100個金原子)， 該尺寸下的團簇結構效應逐漸消失，吸收光譜明顯展寬並且趨於相似，帶隙、載流子壽命隨著尺寸變大顯著減小，光學性質完全由尺寸決定。當金原子數大於279之後，團簇的多個吸收峰消失，表面等離子體共振吸收出現，同樣表現為可數的光學性（圖1）。
發現團簇的光學性質從不可期到可期的演變對於全面理解不同尺寸金團簇的性質以及拓展其相關應用具有重要的指導意義。
圖1 不同尺寸金納米團簇光學性質的演變。
這一成果發表在近期的Journal of the American Chemical Society，文章的共同一作是博士後周蒙、博士生Tatsuya Higaki和博士生李穎薇。
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
導師介紹
Rongchao Jin
https://www.x-mol.com/university/faculty/523
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