潘世烈等在硼酸盐卤化物非线性光学晶体方面取得进展

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短波紫外非线性光学晶体作为调谐激光频率的重要器件，在全固态激光器中具有广泛的应用。由π和/或非π共轭硼氧阴离子组成的硼酸盐由于具有丰富的结构化学和性质可调性，已经成为探索新型短波紫外非线性光学晶体的优选体系。硼酸盐结构中最常见的结构类型是零维阴离子框架，其中π共轭的B-O簇是研究热点。[B3O6]簇相较于[BO3]基元具有更大的超极化率和极化率各向异性，是实现大倍频和适中双折射率的优秀功能“基因”。统计表明，在所有仅含孤立[B3O6]簇的硼酸盐中，90%以上的最大二面角为零，其中[B3O6]基元是严格平行排列的。其余均为近平面排列，最大二面角均小于13°，这意味着在系列硼酸盐中，[B3O6]团簇内部和团簇之间的结构特征被固定为平面或近平面构型。然而，对于短波紫外非线性光学晶体，理想的双折射率标准是“适中”，以避免非相位匹配(过小)和走离效应(过大)。

图：[B3O6]簇与Ca阳离子的轨道杂化相互作用模型

        在前期工作中，中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心在综述论文（Chem. Rev. 2021, 121, 1130– 1202）提出了问题:为什么仅含孤立[B3O6]簇的硼酸盐中所有的[B3O6]单元总趋向于以共面方式排列？针对这个问题，该团队通过阳离子和卤素阴离子的协同调控作用，合成系列硼酸盐卤化物非线性光学晶体Ca2B3O6X(X = Cl，Br)。Ca2B3O6X(X = Cl，Br)具有平衡的光学性能，如大的倍频效应（1.5-2×KDP），适中的双折射率（0.056-0.060@1064 nm）和较小的走离角（2.07°）。此外，该系列晶体中扭曲的1[XCa2]∞链的约束效应压缩了[B3O6]基元空间，诱导[B3O6]簇的非平面排列，其最大二面角高达约76°。通过建立模型，研究该系列[B3O6]簇间的大二面角来源，并直观地研究了体系中[B3O6]的排列与基元相互作用之间的内在关联，确定了Ca阳离子的s轨道与[B3O6]簇上末端O原子的2p轨道之间的轨道杂化是其主要来源。
        相关研究成果以全文形式发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society），中国科学院新疆理化技术研究所为唯一通讯单位，晶体材料研究中心博士研究生邱昊天为第一作者，潘世烈研究员和米日丁·穆太力普研究员为通讯作者。该研究工作得到科技部、国家基金委、中国科学院和新疆科技厅等项目的资助。
        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。授权美国发明专利7项，授权中国发明专利61项。已培养博士研究生20名，硕士研究生31名，出站博士后4名。目前在站博士后3名，在读博士研究生12名，硕士研究生26名。