新疆理化所类黄铜矿红外非线性光学材料研究获进展

目前，商业化的红外非线性光学晶体主要为黄铜矿类型材料，例如AgGaS2，AgGaSe2和ZnGeP2，其具有很好的非线性光学系数和宽的透过范围，在红外变频领域有着重要的应用。但一系列性能缺陷影响了它们的应用范围，例如AgGaS2和AgGaSe2具有低的激光损伤阈值，ZnGeP2在1 μm附近存在严重的双光子吸收等。优异的非线性光学材料要求具有大的非线性光学系数（> 0.5×AgGaS2），宽的带隙（>3.0 eV）以及合适的双折射率（0.03-0.10）。,材料的非线性光学系数与带隙存在反比关系，如何实现材料的性能平衡成为探索新型红外非线性光学材料的研究难点。

中国科学院新疆理化技术研究所光电功能材料实验室潘世烈研究团队致力于新型红外非线性光学晶体材料的研发。考虑到商业化红外非线性光学材料的性能缺陷，该团队以著名的黄铜矿材料AgGaQ2 (Q=S,Se)为模板，通过在结构中引入合适的非线性活性基元（MIVQ4：MIV=Ge,Sn）来取代GaQ4基元，保证材料具有大的非线性光学系数；引入具有高正电性的碱金属或者碱土金属来取代Ag原子来增大材料的带隙，进而提高材料的抗激光损伤能力。基于以上策略，科研人员优选Li-Ba-MIV-Q体系为研究对象，设计和合成了四种新的红外非线性光学材料，Li2BaMIVQ4。四种材料均结晶于非中心对称空间群：I-42m，具有与黄铜矿材料相同的点群（-42m），相比于传统的黄铜矿结构，发现其在c轴方向上有明显的结构压缩畸变，因此可将Li2BaMIVQ4称为类黄铜矿材料。

科研人员在已报道过的I2−Ba−MIV−Q4 (I =一价离子, 例如 Cu, Ag, Na)体系调研中发现，已知化合物的结构均随着不同的MIV和Q原子发生转变，但Li2BaMIVQ4体系材料均结晶于同一空间群，这一现象首次在I2−Ba−MIV−Q4体系中发现。经性能测试表明，该系列材料具有很好的非线性光学性能，均能实现相位匹配，消除了AgGaSe2的性能缺陷。同时Li2BaGeS4 和Li2BaSnS4满足了优异红外非线性光学材料的性能特点，实现了宽带隙、大的非线性光学系数和合适的双折射率之间的性能平衡，消除了商业化黄铜矿材料的性能缺陷。同时，类黄铜矿红外非线性光学材料的发现为以后探索新材料提供了很好的设计策略。

该研究结果发表于《美国化学会志》（JACS）上。相关研究工作得到国家自然科学基金、“万人计划后备人选”等项目资助。

类黄铜矿材料设计和性能比较