中遠紅外激光（2-20 μm）在國防、通訊、醫(yī)療以及安全方面有著重要的應(yīng)用，其中紅外非線性光學(xué)晶體是實現(xiàn)中遠紅外激光輸出的關(guān)鍵器件。目前商業(yè)化的紅外非線性光學(xué)晶體存在多方面的性能缺陷，限制了它們的應(yīng)用范圍。因此，設(shè)計和探索新型的紅外非線性材料成為紅外激光領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。
中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所光電功能材料團隊自2013年起逐漸開展紅外非線性光學(xué)材料的研究，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)Hg陽離子具有多變的配位環(huán)境，而且當(dāng)它與易畸變的四面體基元以及堿金屬相結(jié)合時利于形成非中心對稱結(jié)構(gòu)。因此科研人員選取Na-Hg-M-S（M = Si, Ge, Sn）體系為研究對象，通過在密閉真空石英管中進行高溫固相反應(yīng)，最終得到三種具有優(yōu)良性質(zhì)的四元堿金屬紅外非線性光學(xué)材料，即Na2Hg3Si2S8，Na2Hg3Ge2S8，Na2Hg3Sn2S8。這三種材料結(jié)晶于相同的非中心對稱空間群，P c2，觀察其晶體結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)存在特殊的多孔道結(jié)構(gòu)，包括全封閉、半開以及開放的孔道。
此外，在與其他堿金屬同構(gòu)物（Na-Cs）結(jié)構(gòu)比較時，科研人員還發(fā)現(xiàn)這些化合物都結(jié)晶于不同的空間群，而且其結(jié)構(gòu)對稱性隨著堿金屬離子半徑減少而逐漸增加，這種變化規(guī)律在四元金屬硫?qū)倩衔镏泻苌侔l(fā)現(xiàn)。性能測試表明發(fā)現(xiàn)的這三種材料均具有很好的光學(xué)性能，基本滿足優(yōu)異紅外非線性光學(xué)材料的要求，包括寬的透過范圍、高的激光損傷閾值、大的非線性系數(shù)和環(huán)境穩(wěn)定性。其中Na2Hg3Si2S8和Na2Hg3Ge2S8很好地實現(xiàn)了高激光損傷閾值和大非線性系數(shù)之間的平衡，消除了目前商業(yè)化紅外非線性光學(xué)晶體的一系列性能缺陷（低的激光損傷閾值和強的雙光子吸收），能夠作為潛在優(yōu)異的紅外非線性光學(xué)材料。引入堿金屬和d10元素調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)為設(shè)計新型紅外非線性材料提供了一個有效思路。
該研究成果已于近期發(fā)表在Chemistry of Materials上。
相關(guān)研究工作得到中科院“西部之光”項目、國家自然科學(xué)基金等項目資助。
Na2Hg3M2S8 (M = Si, Ge, and Sn)晶體的結(jié)構(gòu)圖及性能指標(biāo)
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