有机-无机杂化金属团簇红外非线性光学材料的计算设计与模拟

The infrared nonlinear optical materials play key roles in the hi-tech areas related to the developments and safety of the country such as optical communications, atmospheric environment and space and military areas. This project aims at applying the computational chemistry techniques and the idea of the materials genome approach to design and simulate the nonlinear optical coefficients, IR transparency and laser induced optical damages at the microscopic structural tuning level on the basis of the in-depth understanding the physical mechanism and response rules of the organic-inorganic hybrid metal cluster materials. In order to keep ahead of our country in the area of developing nonlinear optical materials and to enhance the innovative abilities in computational material sciences, the project further devotes to the explosion of the novel fields and methods of developing nonlinear optical materials to accelerate the discovery of excellent mid-to-far IR nonlinear optical materials. This project will produce at least 8 high-level research papers and will train a group of young researchers worked in the area of computational material sciences.

红外非线性光学材料在光学通信、大气环境保护和航天军事领域等国家发展和安全密切相关的高技术领域有着重大的需求和应用价值。本项目应用理论计算化学技术和材料基因工程思想，通过建立有机-无机杂化金属团簇材料专有数据库，在材料微观结构调控的水平上，设计和模拟杂化金属团簇材料的非线性光学系数、红外光学透过波段和光诱导热损伤等综合物性参数，深入认识有机-无机杂化金属团簇材料非线性光学性能微观机理，在杂化多金属团簇材料中计算设计具有优良综合性能的新型中远红外非线性光学材料。开拓探索红外非线性光学材料的新领域和新方法，加速发现具有优良性能的中远红外非线性光学材料。取得一系列有影响的创新基础性研究成果，保持我国在非线性光学材料领域的国际领先地位，提高我国计算新材料研究自主创新能力。本项目将发表高质量研究论文8篇以上，培养一批计算化学和计算材料学交叉领域的青年人才队伍。

有机-无机杂化功能材料由于具有独特的空间和电子结构特征，在非线性光学材料、贮氢能源功能材料、光电转化功能材料和复杂催化材料等方面都展现了广阔的应用前景。本项目在基金资助下采用第一原理计算技术对一系列有机-无机杂化材料体系非线性光学性能参数进行计算设计和模拟预测；运用材料基因工程开展红外非线性光学材料高通量计算筛选工作；探索性开辟低维非线性光学材料体系的设计模拟研究新领域；也开展有机-无机杂化钙钛矿结构材料体系光电性能的计算模拟研究。在基金项目资助下，通过计算筛选，提出了Cu3AsS4晶体是一种具有大的非线性光学系数、良好的光学位相匹配能力并在中红外区可以实现较强倍频输出的潜在的中红外非线性光学晶体材料；首次预言了钙硅酸盐材料Li2M2[(TiO)Si4O12]的介电常数、光吸收谱以及光学双折射率的数值，达到了非线性光学材料计算设计和预言物性的核心要求；通过第一原理计算模拟设计，设计了一个KBBF族的二维材料2D-ALBF，其非线性光学系数有所提高且其紫外透过可达155纳米，是一个很有应用前景的二维深紫外非线性光学材料，2D-ALBF不含有毒元素铍，也是一个绿色环保的非线性光学纳米材料，可用于制备纳米光电元器件；开展了基于机器学习和可视化图形技术的二维材料红外非线性光学性质的计算筛选研究，在材料基因组数据库中筛选258种具有二维结构的化合物进行了非线性光学综合性能的分析，采用数据库、优化筛选和可视化图形技术进行了材料二阶红外非线性光学性能预言，具有一定的开创性意义。在有机-无机杂化钙钛矿材料的光电性能研究中，提出了A位有机阳离子的掺杂是调控有机-无机杂化钙钛矿材料的动力学稳定性、光学带隙以及光电转换效率有效的材料设计策略。项目期间共发表高质量研究论文26篇（标注本基金项目资助），包括JCR-1区论文2篇、JCR-2区论文15篇；参加国内学术会议3次；授权发明专利1项；培养毕业博士研究生4名、硕士研究生4名。本项目已经取得了良好的研究成果，完成了项目预期的目标。