研制出新型IR-NLO晶体材料

时间:2020-06-28 字体【 | |

  红外二阶非线性光学(IR-NLO)晶体材料在资源探测、光电对抗、空间反导、国防通讯等方面有着重要的应用。目前商业化的IR-NLO晶体材料(例如,AgGaQ2(Q=S,Se)和ZnGeP2等)存在多方面的性能缺陷,限制了它们的应用范围。因此,设计和合成具有性能优良的新型IR-NLO晶体材料仍是该领域的研究热点和难点。

  如何合理地设计合成非心结构是获得IR-NLO晶体材料的前提条件。针对此,实验室朱起龙和林华研究员团队创新性地采用局部等价阴离子取代(Partial Isovalent Anion Substitution)的结构设计策略,成功实现从中心(SrGeO3)到非心(SrGeOSe2)的晶体结构转变(图1)。测试结果表明,化合物SrGeOSe2属于I-型相位匹配,且具有适中的粉末倍频响应(SHG = 1.3 AgGaS2)和高的激光损失阈值(LIDT = 36AgGaS2)。此外,理论计算的分析结果表明该化合物的倍频效应主要来自于由不对称单元[GeO2Se2]所构筑的一维[GeOSe2]2–螺旋链。相关研究结果已发表在美国化学会Chem. Mater. 杂志(Chem. Mater. 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02011),该论文第一作者为联合培养在读硕士生冉茂银。

图1 利用局部等价阴离子取代策略实现从中心(SrGeO3)到非心(SrGeOSe2)的晶体结构转变

  该团队还提出利用具有高极化能力的Hg2+来构建具有类金刚石网格(DLF)硫属化合物的策略,采用高温固相技术成功地发现了一例含汞的四元硫化物HgCuPS4。该化合物的显著结构特征是由非对称结构基元通过共享顶点同向排列形成三维缺陷的DLF。独特的缺陷DLF和强极化率的Hg2+离子互相结合,使得该化合物在较宽的IR范围内能够实现相位匹配,同时具备高的激光损伤阈值(LIDT = 4.2×AgGaS2)和强的粉末倍频效应(SHG = 6.5×AgGaS2),这是迄今为止报道的四元DLF硫属化合物的最大值(图2)。此外,详细的理论计算结果表明,HgCuPS4的强的SHG源于畸变的[HgS4]、[CuS4]和[PS4] 非对称结构基元的协同效应,即三维缺陷DLF结构。这一发现可以有效地帮助理解和设计其它有前景的缺陷DLF硫属化合物,从而实现高性能IR-NLO应用。研究成果以全文的形式发表在美国化学会Chem. Mater. 杂志(Chem. Mater. 2020, 32, 4331–4339),该论文第一作者为联合培养硕士生李梦月。

图2 综合性能优异的IR-NLO晶体材料HgCuPS4

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