福建物构所IR-NLO晶体材料研究获系列进展

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。针对这个挑战性课题，中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室朱起龙和林华团队在国家自然科学基金和中科院海西研究院“春苗”人才专项等项目资助下，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 = 36×AgGaS2）。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。相关研究结果发表在美国化学会Chem. Mater.杂志上（Chem. Mater. 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02011）。

　　该课题组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)。

理论计算结果表明，HgCuPS4的强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。研究成果发表在美国化学会Chem. Mater.杂志上（Chem. Mater. 2020, 32, 4331–4339）。

　　此外，该课题组结合自身在IR-NLO晶体材料方面的系统研究以及该领域内的研究现状，总结了近年来利用合理的化学取代（chemical substitution）策略设计合成非心硫属化合物的研究和进展，系统的分析了化学组分-非心结构-NLO性能三者之间的内在构效关系，为设计具有高性能IR-NLO晶体材料提供了新思路(图3)。相关工作发表在Coord. Chem. Rev.上。

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

图2 综合性能优异的IR-NLO晶体材料HgCuPS4

图3 利用合理的化学取代策略设计合成IR-NLO晶体材料

来源： 福建物质结构研究所