s区元素替代探索紫外深紫外硼酸盐非线性光学材料

Nonlinear optical materials are of great importance, due to its wide range of applications in civil, defense and other fields. Because the borates possess the diversity of the structures and excellent performances, they have attracted lots of attentions.. The new type borates M2Cd3B16O28 (M = Rb, Cs) have been synthesized by our group. There are new double graphene-like layers in the structures of the compounds, resulting in big birefringence. The substitution of s-block cations (alkaline and alkaline earth elements) for cadmium cations leads to expand the transmittance in UV or DUV bands. Additionally, the heavy cation can destroy the symmetric system and form non-centrally symmetric structure by its easy distortion. So, in this project, we will adopt the method of s-block elements substitution to explore new nonlinear optical materials. We will study the crystal growth method of the high temperature, reveal thermodynamics and kinetics conditions, and show the internal relations between crystal structures and nonlinear optical properties. This project can enrich the crystal growth technologies and theories of solution and provide new ideas and technological approaches for exploring new type borates nonlinear optical materials.

非线性光学材料是激光电子产业的重要物质基础，在民用、国防等领域有广泛的应用前景。硼酸盐非线性光学晶体材料因为其结构的多样性和功能的优异性，成为当前的研究热点。. 我们前期合成了中心对称结构的硼酸盐化合物M2Cd3B16O28 (M = Rb, Cs)，该类化合物具有新型的类石墨烯双层结构，双折射率较大。基于s区金属（碱金属、碱土金属）元素替代镉离子不但能有效拓宽晶体的紫外、深紫外透光范围；且大尺寸的金属阳离子易于畸变破坏结构的对称性，有利于形成非中心对称结构的硼酸盐化合物。本项目拟采用s区金属替代法寻找新型非线性光学晶体。通过探索该类晶体高温生长方法，研究晶体生长的热力学与动力学关系。运用密度泛函理论和偶极矩方法分析非线性光学效应的来源，揭示光学性能的影响因素。本项目的成功实施将丰富无机非线性光学材料体系，为探索功能指向型新晶体提供设计思路和技术途径。

非线性光学材料是当代信息、激光产业的物质基础之一，是固体激光技术、红外技术、光通信与信息处理等领域发展的重要支柱，在科研、民用和军事等领域应用越来越广。非线性光学晶体可以将长波段的激光转换成短波段的激光，拓展激光光谱，是获得新波段激光光源的重要手段。按照波长不同可以分为：红外波段非线性光学晶体，可见光波段非线性光学晶体，紫外波段非线性光学晶体。红外波段非线性光学晶体包括CdS、CdSe、AgGaS2、Ln4GaSbS9、La4InSbS9等，其中商业化的晶体有AgGaS2等。可见光-紫外波段非线性光学晶体包括BaB2O4、LiB3O5、CsB3O5、CsLiB6O10、Li5Rb2B7O14、K3B6O10Cl、K3B6O10Br 等，其中商业化的晶体有BaB2O4、LiB3O5等。在紫外、深紫外的非线性光学研究领域，中国晶体科学家走在世界同行的前列，报道了一系列紫外、深紫外波段非线性光学晶体，如KBe2BO3F2 (KBBF)、Li4Sr(BO3)2、CsPbCO3F、Na2CsBe6B5O15等，但是目前为止此波段还没有商业化的晶体。目前，本研究组已对碱金属与碱土金属复合硼酸盐体系进行了研究，成功设计、合成出几种新型类石墨烯结构的复合金属硼酸盐光学晶体。在此基础上，本项目拓展研究范围，通过选择s区元素复合硼氧基团设计、合成出新型紫外、深紫外非线性光学晶体材料。从阴离子基团、金属阳离子角度出发考察他们对晶体性能所作的贡献，从而揭示晶体结构与光学性能的内在联系。本项目寻找到具有新型结构特征光学晶体化合物4个。项目执行中出产SCI论文9篇，授权中国发明专利1项，正在申请中国发明专利2项，获得科研奖励3项。