【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】紅外非線性光學(xué)晶體作為激光頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在全固態(tài)激光器中具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前商用的中遠(yuǎn)紅外非線性光學(xué)晶體主要包括類金剛石結(jié)構(gòu)的AgGaS2，AgGaSe2和ZnGeP2等化合物。然而，由于各自本征的性能缺陷，這些材料已不能完全滿足當(dāng)前紅外激光技術(shù)發(fā)展的需求。因此，亟需開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的新型中遠(yuǎn)紅外非線性光學(xué)材料。汞具有獨(dú)特的電子構(gòu)型，有利于形成高度極化的Hg2+離子，從而產(chǎn)生顯著的非線性光學(xué)響應(yīng)。因此，含汞硫?qū)倩衔锉灰暈殚_(kāi)發(fā)高性能紅外非線性光學(xué)材料的最有前景的系統(tǒng)之一，但由于Hg的5d和6s電子，之前發(fā)現(xiàn)的汞基硫?qū)倩衔锲毡榇嬖趲缎〉娜秉c(diǎn)。
 

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所晶體材料研究中心在前期的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)分析[HgS4]基團(tuán)畸變度對(duì)微觀性能的影響，結(jié)合結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，在Hg-Zn-P-S體系合成出首例寬帶隙的汞基紅外非線性光學(xué)材料Zn2HgP2S8。該化合物帶隙達(dá)到了3.37 eV，打破了汞基紅外非線性光學(xué)材料帶隙長(zhǎng)期小于3.0 eV的帶隙“壁壘”。同時(shí)Zn2HgP2S8表現(xiàn)出大的倍頻效應(yīng)，約為1.1 ×AgGaS2，并能實(shí)現(xiàn)Ⅰ型相位匹配。相比于前期開(kāi)發(fā)的大倍頻紅外非線性光學(xué)材料Hg3P2S8(Chem. Mater., 2021, DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c01982)，Zn2HgP2S8表現(xiàn)出更平衡的倍頻效應(yīng)及光學(xué)帶隙。理論計(jì)算的結(jié)果表明，在類金剛石結(jié)構(gòu)中，相比于低畸變度的[HgS4]基團(tuán)，高度畸變的[HgS4]基團(tuán)更有利于誘導(dǎo)寬的帶隙，為后續(xù)設(shè)計(jì)寬帶隙汞基類金剛石結(jié)構(gòu)材料提供了一個(gè)新的思路。這一結(jié)果將激勵(lì)科研人員探索更多綜合性能優(yōu)異的汞基類金剛石紅外非線性光學(xué)材料。該研究成果發(fā)表在Wiley公司出版的《Small》上(Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202305074)。
 

　　圖1：通過(guò)組合[HgS4]n、[HgS4]d、[ZnS4]、[PS4]四面體基團(tuán)，設(shè)計(jì)的類金剛石晶體結(jié)構(gòu)。a) Hg3P2S8-I, b) Hg3P2S8-II, (c) Hg3P2S8-III, d) ZnHg2P2S8-I, e) Zn2HgP2S8-I, f) ZnHg2P2S8-II, g) Hg3P2S8-IV, h) Zn2HgP2S8-II (ZHPS)。
 

　　圖2：(a)Zn2HgP2S8的原子配位情況；(b-d)Zn2HgP2S8的晶體結(jié)構(gòu)；(e)Zn2HgP2S8的實(shí)驗(yàn)帶隙；(f)Zn2HgP2S8的透過(guò)光譜；(g)Zn2HgP2S8和AgGaS2在2.09 μm激光下不同顆粒度的倍頻效應(yīng)；(h)汞基化合物的性能統(tǒng)計(jì)分析。