杨志华、潘世烈：高性能双折射晶体高通量设计筛选中取得重要进展

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近日，中科院新疆理化所光电功能晶体材料团队在大双折射材料设计制备取得系列研究进展。大双折射晶体材料是光学材料研究领域的热点之一，它在光通信，偏光显微观察，激光相位匹配等方面起着至关重要的作用。针对什么体系能产生高性能双折射这一科学问题，中科院新疆理化所光电功能团队首先揭示了微观基团的光学各向异性响应机制，发展了可以快速筛选双折射率的电荷密度各向异性响应方法（REDA方法，Chem. Commun., 2017, 53, 2818），并分析了含有四面体基元体系对双折射提升机制研究（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10726）。在此基础上，该团队进一步发展了基于第一性原理的双折射高通量设计筛选方法，并实现了巨双折射晶体的高通量筛选。
　　双折射是偏振光的一个关键光学特性，目前主要的商业化双折射晶体α-BaB2O4和YVO4的双折射分别为0.12和0.22。针对氧化物中什么体系可产生大双折射这一科学问题，该团队发展了一种目标导向性高通量筛选方法，首先筛选微观极化率各向异性大的活性基元，在筛选具有优势排列的功能模块(FMs)，结合第一性原理计算实现大双折射材料高通量筛选。该团队发现了一系列双折射活性基元即含有C-O基团共轭大Π键的基团[C2O4]2-，[C2O6]2-，[C4O4]2-，[C6O6]2-。该团队通过理论和实验结合，证实了这一方法的可行性，并基于该方法发现了从深紫外光到近红外区域的一系列具有较大双折射（0.1 ~ 1.35）化合物，其中大多数甚至突破了目前已知氧化物双折射的极限。通过理论和实验发现，该系列化合物中最大的双折射约为α-BaB2O4的11倍和YVO4的6倍。该团队通过实验合成了(NH4)2C2O4·H2O晶体，实验测得546 nm处的双折射为0.248，初步评估该晶体有应用前景的紫外双折射晶体。除了功能基团，该团队发现A位阳离子在光学性质中也起着重要的作用，即影响C-O基团的密度和排列方式。筛选出的化合物证明了功能基团驱动策略的有效性，这将为探索新型双折射晶体起到重要的指导作用。

　　图 1. （左）发展的高通量方法及系统，（右）筛选出双折射优势基元及对应的巨双折射材料（插图为(NH4)2C2O4·H2O晶体）。

　　该工作发表以全文形式在化学顶级期刊《德国应用化学》上（Series of Crystals with Giant Optical Anisotropy: A Targeted Strategic Research， doi.org/10.1002/anie.202011006）。中科院新疆理化所为第一完成单位，研究生佟廷浩、张文耀为第一作者，杨志华研究员和潘世烈研究员为通讯作者。
　　该研究工作获得国家自然科学基金-优秀青年基金项目、中科院等项目的支持。
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202011006


      文章来源：新疆理化所
      潘世烈，男，理学博士，中国科学院新疆理化技术研究所研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”学者，国家杰出青年科学基金获得者，国家"万人计划"领军人才入选者，中国科学院新疆理化技术研究所副所长，中科院“特殊环境功能材料与器件”重点实验室主任。1996年于郑州大学获得理学学士学位，同年保送郑州大学研究生于1999年获理学硕士学位，2002年7月于中国科学技术大学获理学博士学位，2004年中国科学院理化技术研究所博士后出站后，到美国Northwestern University化学系做博士后研究。2007年6月招聘回国到中国科学院新疆理化技术研究所工作入选中科院“百人计划”。先后在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.等刊物上发表SCI论文300余篇，其中，SCI影响因子大于4.0的文章130余篇。
      杨志华，中国科学院新疆理化技术研究所研究员。于2013年入选中组部“百人计划”。在“百人计划”项目执行期间，在建立非线性光学材料信息数据库及功能基元数据库、非线性光学材料微观机理、光学材料分析软件开发及指导材料合成等方向取得多项重要研究成果。期间在JACS、PRL等SCI期刊上发表论文100余篇，主持承担国家“973”青年项目（首席科学家）、国家自然科学基金、中科院科研装备研制项目等多项课题。