新疆理化所基于阳离子调控合成新型氟化硼酸盐深紫外非线性光学晶体

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        非线性光学晶体是一种重要的光电信息功能材料，是固体激光技术和光通讯与信号处理技术发展的关键材料之一。随着激光精密机械加工业、激光化学、紫外激光光谱学和激光医学等学科的飞速发展，人们迫切需要发展全固态深紫外相干光源，其关键突破点在于深紫外波段的非线性光学晶体的研制和应用。

        中科院新疆理化技术研究所中科院特殊环境功能材料与器件重点实验室潘世烈团队建立了典型非线性光学晶体材料的结构数据库，分析了硼酸盐晶体“深紫外透过-大倍频效应-较大双折射”性能之间相互制约的原因，基于材料模拟方法提出了一种将一类 BO4-xFx（x = 1, 2, 3）功能基团引入硼酸盐框架的设计策略，成功设计了系列新型氟化硼酸盐深紫外非线性光学晶体，如LBOF (Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 3916）、ABF（J. Am. Chem. Soc.，2017，139, 10645）和CBF（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14119）。

       基于阳离子结构调控策略，潘世烈团队近期又合成一系列新型碱金属氟化硼酸盐非线性光学晶体材料，RbB4O6F (RBF), CsKB8O12F2 (CKBF), 以及CsRbB8O12F2 (CRBF)。由于阳离子不同，这三种材料分别属于不同的空间群（Pna21, P321和 P2c）。晶体结构分析揭示了RBF，CKBF和CRBF的结构基本相同，均由二维层状结构的[B4O6F]阴离子基团和空隙填充的阳离子组成（图1）。这三种材料和之前报道的ABF和CBF一样同属于AB4O6F族（A=碱土金属阳离子）系列材料。进一步对比发现，阳离子在结构调控方面具有重要的作用，即不同的阳离子导致了[B4O6F]阴离子基团对称性和整体结构的差异。其调控作用可分为不同半径阳离子导致的体积效应，以及不同阳离子与F原子相互作用产生的模板效应。同时研究表明，这些材料都具有非常短的紫外吸收边（<190 nm），并且粉末倍频效应为商业化KDP材料的0.8~1.9倍，同前面报道AB4O6F同族晶体一样有望作为深紫外非线性光学晶体材料。其中，CKBF晶体属于单轴晶，晶体器件加工相比于其他同族化合物更容易，综合性能较优。通过密度泛函方法的倍频密度分析以及赝对称分析方法，充分解释了其倍频效应的来源于BO3和BO3F基团的有效排列。基于此，我们提出了通过阳离子调控来优化倍频效应的设计策略，为设计出最优的深紫外非线性光学晶体材料提供了参考。相关研究成果发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2150）

       该研究成果受到国家基金委、科技部、中科院和新疆科技厅等单位的大力支持。