科学视点

福建物构所磷属长波红外非线性光学晶体研究获进展

  红外非线性光学晶体能够通过频率转换作用产生中红外可调谐激光,获得广泛应用。目前,商用的红外非线性光学晶体硫镓银、硒镓银和磷锗锌,由于自身的一些缺陷,已经不能满足日益增长的市场需要。因此,亟须探索性能更优异的中红外非线性光学材料。类金刚石型磷属化合物非线性光学材料通常展示了很大的倍频系数、很高的热导率和较宽的带隙,因此,磷属化合物是合适的红外非线性光学材料的候选体系。然而目前,几乎所有二元、三元类金刚石型磷属化合物都不能实现倍频效应、激光损伤阈值、双折射率以及红外透过范围之间的平衡,因此,需要设计和合成优良综合性能的类金刚石型磷属化合物材料。

  在中国科学院战略性先导科技专项(B类)“结构与功能导向的新物质创制”、国家自然科学基金等的资助下,中科院光电材料化学与物理重点实验室研究员叶宁团队从“刚柔并济”这一太极智慧中获得灵感,以ZnGeP2的黄铜矿结构为原型,采用“刚柔耦合”的元素匹配策略,在结构中同时引入刚性基团SiP4四面体和柔性基团InP4四面体,合成了首例四元类金刚石结构晶体Mg2In3Si2P7。该晶体具有很强的倍频效应(磷锗锌的2倍,硫镓银的7.1倍)、合适的带隙(2.21 eV)、大的双折射率(0.107)以及宽的红外截止边(16.4 μm),实现了它们之前的平衡甚至可以说是同步提升。该研究不仅为先进红外非线性光学晶体的设计提供了一条新思路,也将激励科研人员探索更多的类金刚石型磷属非线性光学材料。相关研究成果发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 10.1021/jacs.1c03930)上。

  此外,该团队近期在中红外NLO材料的设计、合成、晶体生长和非线性性能研究方面也取得系列研究进展(Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 23549-23553; Adv. Opt. Mater. 2021, 9, 2002176; Chem. Mater. 2021, 33, 1462-1470; Chem. Mater. 2020, 32, 10246-10253; Chem. Mater. 2020, 32, 7958–7964; Chem. Mater. 2020, 32, 2615–2620,Chem. Mater. 2019, 31, 10170-10177)。

  论文链接

“刚柔耦合”的元素匹配策略下,Mg2In3Si2P7实现了强倍频效应、合适的带隙、大的双折射率以及宽的红外透过范围


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