新疆理化所在红外非线性光学材料研究方面取得进展

红外非线性光学晶体作为激光频率转换的关键器件，在全固态激光器中具有广泛的应用。当前商用的中远红外非线性光学晶体主要包括类金刚石结构的AgGaS₂（AGS）、AgGaSe₂和ZnGeP₂等化合物。然而，由于各自本征的性能缺陷，这些材料已不能完全满足当前红外激光技术发展的需求。因此，亟需开发性能优异的新型红外非线性光学材料。

为了获得大的倍频效应，有利于朝向一致排列的四面体是最常用的结构基元。相比于上述经典材料中规则排列的四面体基团，八面体是另一类有利于规则排列的基团，有望用于硫属化合物光学性能的调控。但由于MQ₆（M=主族金属元素，Q=S/Se）八面体基团较低的形成几率，相关研究十分匮乏。

中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心研究团队通过利用碱土金属八面体调控非线性活性四面体基团的排列，在AIBII₃CIII₃QVI₈家族合成出9例新的硫属化合物。这些化合物均结晶于P-6空间群，表明结构中碱土金属八面体及非线性活性四面体构成的风车状框架具有高的结构稳定性，有利于原子的替代。

图1（a）AgMg₃Ga₃S₈中Ag、Mg、Ga的配位环境；（b）四面体基团连接形成的Ga-S链结构；（c，e）[MgS₆]与[GaS₄]构成的[Mg₃Ga₃S₂₄]基团；（d）AgMg₃Ga₃S₈的三维结构；（f）AGS中形成的[Ga6S₁₈]基团；（g）AGS的三维结构

NaMg₃Ga₃Se₈展示出平衡的光学性能，如大的倍频效应（~1×AGS），较大的带隙（2.77eV），适中的双折射率（0.079@546nm），高的激光损伤阈值（~2.3×AGS）。实验及计算结果表明，相较于AgGaQ₂，碱土金属八面体的引入降低了非线性活性四面体基团（[MQ₄]）所构成结构的维度，但不影响四面体基团的朝向排列。同时，碱土金属的引入增大了材料的带隙。

图2（a）NaMg₃Ga₃Se₈和AGS在2.09μm激光下不同颗粒度的倍频效应；（b）实验的带隙值；（c）计算和实验的双折射值；（d）与典型硒化物光学性能的对比

这些结果为后续设计带隙与倍频性能平衡的红外非线性光学材料提供了新的思路，将激励研究人员探索更多性能优异的八面体与四面体复合的红外非线性光学材料。

相关研究成果发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。研究工作得到了国家自然科学基金、新疆自然科学基金等项目的支持。

论文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.2c08318    

审核编辑 ：李倩