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單氟磷酸鹽:深紫外非線性光學(xué)材料的新體系

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非線性光學(xué)(NLO)晶體能有效擴(kuò)展激光的波長(zhǎng)范圍，在現(xiàn)代激光科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域起著重要作用，其中深紫外(DUV)非線性光學(xué)晶體更是近年來研究熱點(diǎn)之一。由于深紫外倍頻材料對(duì)材料的性質(zhì)具有苛刻要求，如要求材料具有非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)，二階倍頻效應(yīng)系數(shù)大，尤其是需具有超寬帶隙（大于6.2 eV），因此，迄今僅有少量硼酸鹽，磷酸鹽和碳酸鹽符合上述要求；商用材料僅有KBBF唯一一例，但因其含有劇毒鈹元素，且由于層狀生長(zhǎng)習(xí)性強(qiáng)烈，造成大晶體生長(zhǎng)困難等習(xí)性，其應(yīng)用受到一定程度限制。因此新型深紫外非線性光學(xué)材料體系的探索研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院吳立明課題組首先從理論計(jì)算角度出發(fā)，利用Gaussian和VASP等量子化學(xué)軟件包對(duì)PO₃F^2-基團(tuán)進(jìn)行偶極矩，能隙及超極化率等光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)參數(shù)均優(yōu)于PO₄^3-基團(tuán)，基于此，他們預(yù)測(cè)PO₃F^2-有望成為新的DUV NLO功能基團(tuán)。在此指導(dǎo)下，經(jīng)過對(duì)100多個(gè)已知單氟磷酸鹽進(jìn)行深入調(diào)查和相關(guān)電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)計(jì)算分析，他們提出(NH₄)₂PO₃F，(C(NH₂)₃)₂PO₃F和NaNH₄PO₃F·H₂O三個(gè)化合物具有成為新型深紫外非線性光學(xué)材料的潛力。為了證實(shí)理論工作，他們通過水熱合成法成功合成了這三種晶體，其中NaNH₄PO₃F·H₂O的單晶尺寸可達(dá)到14 × 9 × 2.3 mm³。有趣的是，這些化合物表現(xiàn)出優(yōu)異的非線性光學(xué)性質(zhì)：深紫外截止邊均小于200 nm；二階倍頻響應(yīng)強(qiáng)（在1064和532 nm處分別為基準(zhǔn)材料KDP的0.9?1.1倍和基準(zhǔn)材料BBO的0.2?0.3倍）；激光損傷閾值高（在1064 nm處約為KDP的2.3?3.1倍）。該研究首次提出了可用于深紫外區(qū)域的新穎功能基團(tuán)PO₃F^2-，為深紫外非線性光學(xué)晶體的探索提供新方向。該研究工作近期發(fā)表在Chemistry of Materials 上（DOI:10.1021/acs.chemmater.8b03310，影響因子：9.89）。北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院為唯一單位?；瘜W(xué)學(xué)院博士生熊琳為論文第一作者，化學(xué)學(xué)院碩士生陳潔，陸靜，潘春亞依次為第二，三，四作者，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助，特此感謝。

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