基于幻数团簇(SiO2)4O2H4的Au吸附团簇的光学性质研究

摘要

纳米材料,与宏观体系相比具有独特的物理化学性质,因此在半导体、生物医学、光学等许多领域得到广泛关注和应用。近几年,研究发现Au的纳米颗粒具有增强的表面等离子共振特性,而且对生物组织具备无毒性、适应性和结合性等优点,这些特点有利于肿瘤细胞的光诊断和光热治疗研究。特别是其中的SiO2-Au纳米壳,通过调节其核.壳厚度比可以比较容易地调谐光共振吸收波长到近红外区,实验证实了这种纳米壳可有效应用于近红外光热切除肿瘤细胞。
　　 本论文基于纳米壳的模型,以我们研究发现的具有S4对称性的幻数团簇(SiO2)4O2H4为原型,考虑用Au原子取代H原子,构造了两组类壳团簇结构:Ath(SiO2)4O2H4-n(n1-4)和Aun[SiO2)4O2(n=5-8),并对它们的光学性质进行了分析研究。其中,前一组团簇只含有单Au原子取代,后一组则包含了Au2基团。对这两组团簇,我们利用Gaussian03程序包,采用密度泛函理论进行几何结构优化,在此基础上用含时密度泛函理论进行激发态计算,获得团簇的吸收光谱。
　　 几何优化的结果显示,对于两组团簇,随着吸附Au原子个数的增加,团簇各部分键长和键角会发生微小的变化,而核心团簇(SiO2)4O2基本保持原来的Td对称性不变,团簇的整体结构也由核所决定。对优化好的基态结构,我们通过Au原子和Au2基团的吸附能分析了类壳团簇的稳定性。相比原幻数团簇中的H原子,两组类壳团簇的Au原子吸附能有所降低,但是仍能满足一般实验环境的吸附条件。核(SiO2)4O2的稳定性显示了其作为开发新型团簇材料基本单元的可能性。
　　 团簇光谱计算的结果表明,对原幻数团簇引入Au原子,使得团簇的光吸收能隙从紫外区减小至可见和红外区,明显地改变了团簇的光学性质。电子轨道跃迁的结果显示,在Au-O和Au-Au键上发生的弱电荷转移作用,引起了两组团簇分别对440nm附近可见光和900～1200nm近红外光的较强吸收。正因为如此,对于每一组团簇,其光谱吸收峰的位置由吸附基团的类型决定,而吸附基团的个数引起了吸收峰强度近似线性的变化,这种明确的关系有利于团簇的光学应用。并且,吸附Au2基团的团簇,尤其是Au8(SiO2)4O2,它们对近红外光的较强吸收,满足体内肿瘤光诊断和光热治疗的要求,因此有望实现与SiO2-Au纳米壳相似的功能。