当纳米铜粉遇上LSPR：低成本金属如何进入纳米光学新赛道？

发布时间 | 2026-09-01 16:55 分类 | 粉体加工技术点击量 | 3

纳米材料

导读：目前，LSPR铜粉尚未形成独立成熟市场。纳米铜粉已有明确的产业基础，主攻导电油墨、柔性电子，并正向传感、催化、光电等领域拓展。LSPR的价值在于为成熟铜粉赋予新光学功能——通过粒径、形貌、表...

我们通常认为，铜粉主要的价值集中在导电、导热、烧结与催化等性能，但当铜粉粒径缩减至纳米级时，铜粉与光相互作用，会出现一个非常有意思的现象：

局域表面等离激元共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）。

在金属中存在大量可以自由运动的电子。当受到入射光的电场作用时，电子云会在电场驱动下相对于正离子背景发生整体偏移，而电子与正离子之间的库仑吸引又会产生将电子云拉回原位的回复力，使电子云围绕平衡位置发生周期性的集体振荡。

球形纳米金属颗粒中LSPR及可能的共振吸收示意图

球形纳米金属颗粒中LSPR及可能的共振吸收示意图。 Dlamini et al., Applied Physics A, 2022

当金属颗粒尺寸缩小到远小于入射光波长的纳米尺度时，颗粒的有限尺寸和表面边界使电子云整体的集体振荡局域在纳米颗粒附近。这种局域化的集体振荡具有特征性的共振频率。当入射光的频率与这种电子集体振荡的本征频率相匹配时，就会发生LSPR。

这种共振会使纳米颗粒周围产生强烈的局域电磁场，并增强对特定波段光的吸收和散射，也因此赋予纳米金属颗粒独特的光学性质。

那么，在众多金属材料中，为什么铜值得特别关注？

长期以来，LSPR研究主要集中在金、银等贵金属纳米材料上，因为它们具有稳定的化学性质和显著的LSPR响应，但较高的材料成本也限制了其进一步走向大规模应用。而铜纳米颗粒同样也有明显的LSPR效应。对于近球形铜纳米颗粒，其共振峰通常出现在约570–600 nm的可见光区域，通过调控颗粒的尺寸、形貌或构筑特定结构，可以进一步将共振拓展至近红外甚至更长波段。

与金、银相比，铜的LSPR存在更明显的光学损耗，其中约2.1 eV附近的带间跃迁会对共振产生较强阻尼，使铜纳米颗粒的共振峰通常较宽。尽管如此，铜的资源丰富，成本远低于金、银，因此仍具有突出的产业吸引力。

铜纳米颗粒的LSPR效应，究竟能用来做什么？

一、SERS：让微弱的分子信号“被看见”

纳米铜粉的LSPR效应可以用于构建表面增强拉曼散射（SERS）基底。当吸附于铜表面或间隙的分子受局域电磁场增强时，可以借助分子具有的特征“拉曼指纹”，实现低浓度痕量识别。铜SERS基底的典型拉曼增强因子约为10⁵–10⁷，效果可媲美金、银基底。

SERS中的电磁增强（EM）和化学增强（CE）

SERS中的电磁增强（EM）和化学增强（CE）。ACS Omega 2024,9,40242−40258

在实际应用中，铜基SERS材料已被用于食品（农药、添加剂、污染物等）及水体（有机物、染料）的现场快速筛查，能简化前处理流程；同时在催化研究中，还可实时监测表面吸附物种与反应中间体，用于追踪反应历程。

不过，纳米铜粉获得稳定可靠SERS信号的关键不只在于粒径，粉体颗粒的形貌、粒径分布、颗粒间距都会影响LSPR峰位和局域电磁场分布。颗粒间的纳米间隙还可能产生高增强区域，即“热点”。因此，还需要优化颗粒组装状态，提高热点分布的均匀性与信号重复性。同时，铜易氧化，表面氧化层可能改变其介电性质并削弱LSPR响应，因此还需要结合表面包覆、抗氧化处理或合金化等方法提升SERS基底的稳定性。

二、光学传感：把“环境变化”变成光谱变化

LSPR对表面分子吸附或周围介质折射率变化敏感，会引起LSPR共振峰位移或强度变化，据此可将环境变化转为光学信号实现快速检测。与SERS相比，这类传感更关注LSPR共振本身对局部介质环境的响应，因此对共振峰的位置、线宽和稳定性有较高要求。对于铜纳米粉体而言，需要重点控制颗粒的结构一致性和表面状态，以获得稳定、可重复的光谱响应。铜纳米棒的等离激元共振对结构尺寸高度敏感，并可覆盖可见-近红外波段，为可调谐光学传感提供了材料基础。

三、光热与等离激元催化：让光能参与化学反应

LSPR可将吸收的光能通过非辐射弛豫转化为局域热能，伴随有热载流子和局域电磁场产生，从而在纳米尺度实现光热转换。铜纳米颗粒因此不仅可以作为低成本的光热材料，还能够进一步利用这些能量促进化学反应。其光热性能的关键在于吸收光谱与光源的匹配及光热转换效率，可通过调控粒径、形貌来优化。

铜的独特之处还在于自身具有催化活性，使LSPR提供的光热转换能够与催化功能相结合，用于有机合成、污染物降解、析氢及CO₂还原等反应。因此，对铜粉的优化不再仅追求LSPR强度，还需兼顾表面活性位点、界面结构以及光生载流子的利用效率。

目前，铜基等离激元纳米材料也进一步拓展至光热治疗等生物医学领域。

纳米多孔铜（NP-Cu）薄膜利用LSPR光热转换淡化海水。Yu et al., Nano-Micro Lett., 2023

Cu2−xSe HNSs的合成过程与以及利用光热转换消灭肿瘤细胞的过程

Cu_2−xSe HNSs的合成过程与以及利用光热转换消灭肿瘤细胞的过程。Yang et al., Nat. Commun., 2024

四、光伏、光电与纳米光子学：增强光与材料的相互作用

LSPR还可以在纳米尺度下调控光的吸收、散射和局域电磁场分布，增强光与半导体等功能材料之间的相互作用。在光伏领域，铜纳米颗粒可以利用光散射和局域场增强提高光捕获能力，已有研究将其用于等离激元太阳能电池。进一步地，这种对光场的纳米尺度调控也为光电器件和纳米光子学提供了材料基础。对铜粉而言，此类应用需精确控制粒径、形貌与空间排布，使LSPR波长、散射特性及颗粒间耦合与器件光吸收层有效匹配。

Cu纳米团簇阵列用于硅基薄膜太阳能电池的光捕获增强

Cu纳米团簇阵列用于硅基薄膜太阳能电池的光捕获增强。Hossain et al., J. Mater. Res. Technol., 2025

LSPR铜粉产业化前景

目前，LSPR铜粉尚未形成独立成熟市场。纳米铜粉已有明确的产业基础，主攻导电油墨、柔性电子，并正向传感、催化、光电等领域拓展。LSPR的价值在于为成熟铜粉赋予新光学功能——通过粒径、形貌、表面及界面结构设计，使其获得与目标应用匹配的光学响应，并用于传感、光热、光催化等高附加值方向。

虽然在小粒径方面，国内已有不少企业能够规模化生产粒径在100nm以下的铜粉，但LSPR产业化并非一味追求小粒径，而是要求纳米铜粉实现窄粒径分布、稳定形貌和可控表面状态，并保证颗粒分散的一致性。除了传统粉体指标外，还需考虑LSPR峰位、峰强、半峰宽及其批次一致性等。铜氧化问题则是另一关键挑战：氧化会改变颗粒的介电环境，并通常导致LSPR阻尼和响应减弱，因此表面包覆、抗氧化仍是重要方向。不过，缺陷、氧化层及异质界面调控也可能将氧化从限制因素变为设计空间。未来，LSPR有望成为纳米铜粉从传统导电、导热材料向功能型纳米光学材料延伸的新路径。