KDP单晶光纤生长机理研究

Potassium dihydrogen phsphate (KDP, KH2PO4) crystals are very classic optoelectronic materials. Large-size KDP crystals have been widely utilized in the high-technology fields such as strong lasers and optical communications. By contrast, people has never paid attention to the extraordinary properties of low-dimensional KDP micro-/nanocrystals. And the direct growth of these low-dimensional KDP micro-/nanocrystals are lack. In our former work, we have first grown tetragonal/monoclinc single-crystalline fibers of KDP by fast solution self-assembly. These single-crystalline fibers exhibit highly efficient wave-guide, widely tunable second-harmonic generation features, which have great potentials in the fields of nonlinear and micron/nanophotonics. In order to promote the applications of the KDP single-crystalline micro-fibers in advanced technology, we propose to study the growth mechanism and phase transition properties of tetragonal and monoclinic KDP single-crystalline micro-fibers to reveal their growth habits, well control the crystal growth and develop the effective growth method of the single-crystalline fibers in solution, which may be used for growth of other low-dimensional nonlinear crystal materials. The study on the growth mechanism of KDP single-crystalline micro-fibers are of great significant to new materials, basic physics and advanced technology.

磷酸二氢钾（K2PO4, KDP）晶体是一种非常经典的光电子材料，大尺寸KDP晶体已经在强激光及光通讯等高技术领域获得广泛应用。然而，低维KDP晶体非同寻常的光电性质却未得到关注，直接生长KDP低维微纳米晶体的研究没有任何报道。我们首次制备出微米级KDP单斜相和四方相单晶光纤，并实现了高效率激光倍频转换。这一工作开辟了KDP晶体的先进微、纳米光电子学应用新领域。为加快促进KDP单晶光纤在前沿科技上的应用，本项目提出开展单斜和四方相KDP单晶光纤生长机理研究的课题。通过晶体结构、生长的过饱和度控制、相变性质的研究，揭示KDP光纤单晶的生长规律，获得单斜相和四方相单晶光纤的优化生长条件，完成单晶光纤的取向控制生长，将KDP单晶光纤的生长技术推广到其它低维非线性晶体材料。KDP单晶光纤生长机理的研究无论对结晶学、基础物理还是高科技应用都具有重要意义和价值。

KDP（磷酸二氢钾）晶体是惯性约束核聚变强激光光路上不可替代的非线性晶体。几十年来，KDP晶体的研究均集中在大尺寸晶体的生长及加工方面。前期工作中，我们发现了低维KDP光纤晶体及其新的重要的光电性质。然而，KDP光纤生长机理却不清楚。我们发现在水溶液中KDP单晶光纤晶体展现出迥异于体块晶体生长的规律，可形成单斜与四方两种晶相的光纤晶体，均为柱面生长完全压抑，而尖端快速生长。所获得的光纤晶体的长径比可达到1000:1。因而我们提出了开展KD单晶光纤生长机理研究的课题。本项目在实施过程中，研究了四方及单斜相单晶光纤的生长条件，研究了生长动力学，完成了单晶光纤可控一维生长，获得了直径小于10微米，长度为厘米级的光纤晶体；通过原子力显微镜观察，对不同生长阶段的光纤晶体的柱面及尖端的形貌进行了分析，提出了光纤晶体柱面及锥面高各向异性二维成核生长的机理。此外，本项目将研究对象拓展到有机晶体光纤生长，观察研究了四苯基鏻系列TppX (X = Cl, Br, I)单晶光纤在水溶液中的生长规律并研究了其机理。我们发现，有机四苯基鏻光纤晶体的生长规律与KDP光纤晶体的生长规律相同，光纤种子在溶液中柱面压抑而尖端快速生长或为微米直径光纤晶体在溶液中生长的普遍规律。基于此特性，KDP单晶光纤在溶液中的生长技术可推广到更多无机及有机晶体、弥补现有熔体单晶光纤生长技术的不足、生长更多光纤晶体新材料并发展先进器件。