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理化所中紅外激光變頻材料研究取得新進(jìn)展

星之球激光 來源:中國科學(xué)院2015-10-15 我要評論(0 )   

  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

  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”計劃的大力支持。

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