具有優(yōu)秀中紅外非線性光學(xué)性能的金屬硫磷化合物：第一性原理預(yù)測和分析

　　近日，美國化學(xué)學(xué)會會刊（J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b07920）以“metal Thiophosphates with Good Mid-Infrared Nonlinear Optical Performances: A First-Principles Prediction and Analysis”為題，發(fā)表了理化所功能材料與激光技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室晶體中心林哲帥課題組的研究工作。

　　中紅外（波長2-8mm）激光變頻材料在化學(xué)、信息、生物、遠(yuǎn)程通訊和光電對抗等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，但目前已發(fā)現(xiàn)的材料還難以滿足工業(yè)和商業(yè)的需求。通過高通量研究平臺，可以極大的提高這些光電功能材料的研發(fā)效率和降低研發(fā)成本，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)秀材料。為了實(shí)現(xiàn)從單一目標(biāo)的計(jì)算材料學(xué)向“材料基因工程”的轉(zhuǎn)變，林哲帥課題組從原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分出發(fā)，對亟待發(fā)展的中紅外激光變頻材料進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算模擬，進(jìn)而深入理解其結(jié)構(gòu)、組分和性能之間的“構(gòu)效關(guān)系”，他們基于系統(tǒng)的第一性原理計(jì)算研究首次提出目前還沒有引起關(guān)注的金屬硫磷（P-S）化物將是一個(gè)具有潛在優(yōu)異性能的中紅外非線性光學(xué)體系。

　　優(yōu)質(zhì)的中紅外激光變頻材料，需要達(dá)到激光變頻效應(yīng)（倍頻系數(shù)dij）和抗激光損傷閾值（對應(yīng)帶隙Eg）的平衡，即位于如圖的綠色區(qū)域（Eg > 3.5 eV, dij > 20 × KDP）。迄今為止，大部分已發(fā)現(xiàn)的材料都無法達(dá)到此要求。課題組研究人員首次系統(tǒng)地搜索了所有具有無心結(jié)構(gòu)的M-N-P-S型金屬-硫磷化物（M為堿金屬堿土金屬陽離子；N為中心配位陽離子），他們按照材料的微觀基團(tuán)配位環(huán)境將此化合物體系分成四類，分別包含孤立的P-S基團(tuán)、二階姜泰勒效應(yīng)的陽離子、孤對電子效應(yīng)的陽離子、以及短半徑低配位的陽離子等。經(jīng)過對這些“材料基因”信息的預(yù)測和分析，他們揭示具有孤立硫磷基團(tuán)的體系的光學(xué)各項(xiàng)異性不能滿足中紅外變頻的要求；而具有二階姜泰勒效應(yīng)和孤對電子效應(yīng)的體系帶隙較低（Eg< 3 eV），也難以實(shí)現(xiàn)Eg和dij的平衡。與之對比，具有短半徑低配位陽離子的體系，可以呈現(xiàn)Eg和dij很好的平衡（位于圖中的綠色區(qū)域），能夠較好地滿足優(yōu)秀中紅外非線性光學(xué)晶體的性能條件。

　　與姚吉勇研究員合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)合成和光學(xué)測試也證實(shí)了第一性原理預(yù)測和計(jì)算的結(jié)果。本工作為優(yōu)秀中紅外非線性光學(xué)材料的探索提供了結(jié)構(gòu)選型參考標(biāo)準(zhǔn)，對于豐富這一重要的光電功能材料的探索和設(shè)計(jì)思路具有重要作用。

　　相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部“863”計(jì)劃的大力支持。