表面等离激元光热效应

表面等离激元光热效应是指当金属纳米结构中的自由电子集体振荡（即表面等离激元）被光激发时，其能量通过非辐射弛豫过程转化为热能，导致纳米结构及其局部环境温度升高的现象。

1. 基础：表面等离激元共振

   • 首先，理解什么是表面等离激元。在金属（如金、银）纳米颗粒或纳米结构中，其表面的自由电子在入射光电磁场的作用下，能够像液体一样集体、协同地振荡，这种振荡模式就称为表面等离激元。
   • 当入射光的频率与金属纳米结构中自由电子的这种固有集体振荡频率相匹配时，会发生强烈的共振，即表面等离激元共振。此时，纳米结构对光的吸收和散射效率达到极大值。这是所有后续效应的能量来源。

2. 能量转换：从光能到电子激发

   • 在表面等离激元共振发生时，纳米结构吸收了大量的光能。这些能量最初转化为电子的集体相干振荡动能。
   • 然而，这种高度有序的集体振荡状态是不稳定的。它会迅速（通常在飞秒到皮秒量级）通过电子-电子散射发生退相干，将有序的集体振荡能量转化为无序的、高能的“热”电子分布。此时，能量仍以电子动能的形式存在，但电子的运动已从集体振荡变为无序的热运动。

3. 热化过程：从热电子到晶格热能

   • 接下来，这些被激发的高能“热”电子会通过与金属晶格（即原子核及其内层电子构成的刚性骨架）的碰撞（电子-声子散射），将能量传递给晶格。
   • 这个过程使得金属纳米结构的原子振动加剧，宏观上表现为纳米结构本身的温度升高。这个能量传递过程通常在皮秒量级内完成。至此，光能最终转化为了纳米材料本身的热能。

4. 热传导：局域升温与热扩散

   • 被加热的金属纳米结构相当于一个纳米尺度的热源。它会通过热传导将其热能传递给紧邻的周围介质（例如水、空气或生物组织）。
   • 由于纳米颗粒尺寸极小，热源高度局域化，因此可以在纳米颗粒周围产生一个极其陡峭的温度梯度，形成一个微小的、但温度可以很高的“热点”。这个热点的空间范围通常在纳米到微米尺度。

5. 效应的表现与应用

   • 宏观表现：在大量纳米颗粒存在的体系中，整体溶液或材料的温度会显著上升。在单个纳米颗粒附近，则表现为强烈的局域升温。
   • 关键应用领域：
     • 光热治疗：将具有强表面等离激元共振的金属纳米颗粒（如金纳米棒）靶向输运至肿瘤区域，用近红外激光照射。纳米颗粒产生的热量可以高效地杀死癌细胞，而对正常组织损伤较小。
     • 光热成像：利用局域升温引起的折射率变化等效应，可以对纳米颗粒进行高对比度的光学成像。
     • 催化增强：局域升温可以显著提高纳米颗粒表面化学反应的速率，实现光驱动的高效催化。
     • 微流体操控与相变：利用光热效应产生的局域热场可以驱动微流体的流动（热泳），甚至引发液体的相变（如产生微气泡）。