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中紅外（波長(zhǎng)2-8μm）激光變頻材料在化學(xué)、信息、生物、遠(yuǎn)程通訊和光電對(duì)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(tái)，可以極大地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(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)帶隙eg）的平衡，即位于下圖的綠色區(qū)域（eg>3.5ev,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(duì)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(duì)這些“材料基因”信息的預(yù)測(cè)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(duì)電子效應(yīng)的體系帶隙較低（eg<3ev），也難以實(shí)現(xiàn)eg和dij的平衡。與之對(duì)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。

 

與理化所研究員姚吉勇合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)合成和光學(xué)測(cè)試也證實(shí)了第一性原理預(yù)測(cè)和計(jì)算的結(jié)果。該工作為優(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(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部“863”計(jì)劃的大力支持。