第一作者：郑嘉鹏，程希哲，章瀚
通讯作者：王建方
通讯单位：香港中文大学物理系
论文DOI：10.1021/acs.chemrev.1c00422
纳米结构的大比表面积和对自由电子的空间限制造就了其独特且优异的光学、电学和催化性质。光可以引起贵金属纳米结构中自由电子的集体振荡，当光的频率等于自由电子的固有频率时，形成共振，称为局域表面等离激元共振（LSPR）。由此产生的高强度的光和物质的相互作用造就了纳米结构表面显著的电磁场增强。金纳米颗粒因其丰富的合成方法和稳定的化学性质而从贵金属纳米颗粒家族中脱颖而出。金纳米颗粒的LSPR波长取决于颗粒大小、形状、表面电荷分布和周围环境。金纳米球是传统的金纳米颗粒，由于其完美的球对称性，金纳米球的LSPR响应基本位于可见光的范围内，可调节性弱。自20世纪90年代以来，许多科学家致力于合成各向异性的金纳米颗粒。金纳米棒作为一种准一维棒状纳米颗粒，由于其各向异性的形状和可调的等离激元特性，在近年来已成为一种新兴的纳米材料。该综述旨在全面总结金纳米棒的最新进展。该文章在以下四个方面重点介绍了关于金纳米棒的研究工作：不断改进的合成方法、多样的异质结构和组装体、深入探索的等离激元特性以及逐步扩大的应用范围，如图1所示。
▲图1. 金纳米棒的合成、异质结构、组装、等离激元特性和应用。自20世纪90年代以来，金纳米棒的制备主要包括模板法和电化学合成。Murphy和El-Sayed等科学家于2001年首创了种子生长法并实现了金纳米棒的可控批量生产。种子生长法不仅是制备金纳米棒的主流方法，而且也是制备其它纳米材料的经典方法。然而，这种湿化学方法在初始阶段存在许多缺陷，例如产率低和存在副产物。自2001年以来，科学家们对种子生长法的机理进行了深入研究，试图了解各种试剂和离子的影响，并确定生长过程中晶面和形状的变化。科学家们已经开发出各种方法来控制金纳米棒的尺寸、形貌与晶面，并提升其产率，扩大合成规模。开发的方法包括多步生长法、无种子生长法和双表面活性剂模板法。目前金纳米棒的产率已提高到近100%。此外，对生长参数的简单控制使得金纳米棒的长宽比能够在1.0到60的范围内调整，从而促进纵向偶极等离激元共振波长从可见光延伸到中红外区域。金纳米棒的高质量合成促进了多种异质结构和组装体的出现。科学家将不同类型的功能材料与金纳米棒混合，以提高光利用率和光转换效率。目前科学家们已经成功发明了各种策略，包括表面改性、多步生长和组装等，以有效地制备复杂的异质结构。几乎所有新出现的功能材料都已与金纳米棒集成。其范围从有机分子到其它金属材料、电介质材料、半导体材料和超分子系统。由于不同成分间的协同效应，这些异质结构和组装体可以增强某些等离激元特性或展示新功能。例如金纳米棒的组装体可以用来设计和制造多种超构材料和超构表面。由于其LSPR模式，金纳米棒可以作为纳米天线，收集大量光能，并将金属表面的能量限制在远小于入射光波长的范围内。这种独特的能力使金纳米棒附近的电磁场大大增强，产生了许多有趣的光与物质的相互作用现象。2013年之前，对金纳米棒特性的研究主要集中在光热转换、远场散射、近场耦合、增强拉曼散射和二次谐波产生等几个方面。随着金纳米棒异质结构的不断出现，越来越多的新效应被挖掘并成功应用在多种器件，例如等离激元诱导的磁共振、光学手性、非线性吸收和双光子荧光。另一方面，金纳米棒和新材料的结合呈现出各种新的耦合机制。例如，金纳米棒与包括量子点、荧光分子以及二维材料等的荧光材料的集成可以诱导产生共振能量转移、表面增强荧光、等离激元诱导的拉比劈裂。金纳米棒在增强半导体性能方面发挥着重要作用，例如提高光催化剂的光吸收效率，促进电子与空穴分离以及高能载流子的产生和捕获。基于这些迷人的光学现象，金纳米棒已被广泛用于彩色显示、光学传感和拉曼检测，这些已成为新一代光子器件的热门研究方向。在生物医学领域，金纳米棒的应用已扩展到药物载体、生物分子的检测和识别，多功能高分辨率成像和医疗诊断。金纳米棒是最通用的等离激元纳米颗粒。其具有许多独特的功能，在广泛的科学和技术场景中具有潜在的应用。与金纳米球相比，金纳米棒具有几个关键的优点，如可广泛调谐的等离激元共振波长，大幅增强的局部电磁场以及固有的几何各向异性。未来几年我们将见证金纳米棒的巨大潜力得到进一步的释放。金纳米棒将是推动纳米等离激元电子学和纳米光子学发展和最终走向实用化的关键纳米材料之一。
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