贵金属与非贵金属在等离子体传感中的性能对比：寻找最优纳米探针

本文系统比较了贵金属（Ag, Au）与非贵金属（Pd, Pt）纳米颗粒在尺寸与介质环境变化下的等离子体传感性能。通过有限时域差分法（FDTD）和Drude–Lorentz模型，研究揭示Pt纳米颗粒因介电常数实部色散特性和较大模长而表现出最优传感灵敏度与最低品质因子（QF），为新型纳米传感平台设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

非贵金属（Pd, Pt）与贵金属（Ag, Au）纳米颗粒在尺寸和局部介电环境变化下的传感能力已通过有限时域差分法（FDTD）和Drude–Lorentz模型进行了全面研究。模拟结果证实，金属介电函数的实部和虚部在决定纳米颗粒共振条件及光谱响应方面均起关键作用。在共振波长附近，实部色散的微小变化与较大的介电常数模长共同使Pt纳米颗粒成为等离子体传感器件中极具潜力的候选材料。在所有研究的金属中，Pt还表现出最低的品质因子（QF），这意味着其等离子体共振对颗粒尺寸变化最为敏感。相比之下，Au对颗粒尺寸和周围介质折射率的变化均表现出最弱的敏感性。这些发现突显了将非贵金属纳入纳米传感平台的重要性，并提供了通过调控颗粒尺寸、组成和周围环境来调节纳米粒子光响应性能的实用指南。

Simulation methodology

众多模拟工具已被广泛用于确定不同尺寸和形状金属纳米粒子的光学特性。在现有的几种数值技术（如有限元法和边界元法）中，FDTD方法因其操作简便、单次运算即可获得宽光谱光学信息、并同时适用于时域和频域分析而独树一帜。该算法最早由Kane Yee于1966年提出，是一种基于对数运算原理的离散数值方法。

Results and discussion

所选纳米粒子为球形，其有效尺寸主要由半径r决定。除非特别说明，模拟中假定被照射的纳米结构悬浮在空气介质中。选用球形纳米粒子作为研究模型是基于其高度对称性——这便于直接通过与解析Mie理论对比进行验证，同时排除取向依赖性干扰。此外，球形结构也是最常见且易于实验制备的纳米粒子形态之一。

Conclusion

我们通过FDTD和Drude–Lorentz模型，从理论层面系统研究了结构参数和局部介质介电特性对非贵金属（Pd和Pt）与贵金属（Ag和Au）球形金属纳米粒子光谱行为的影响。研究结果表明，局域表面等离子体共振（LSPR）对颗粒尺寸的敏感度主要由金属介电函数实部的光谱色散特性所决定。在所研究的金属中，Pt表现出最小（最低）的品质因子，因此对颗粒尺寸变化最为敏感；而Au则对介质折射率变化响应最弱。这些发现不仅揭示了不同金属在纳米传感中的性能差异，也为设计高灵敏度、高稳定性的等离子体器件提供了关键理论依据。