中科院福建物质结构研究所罗敏课题组丨γ-P₄S₃I₂：通过多晶型策略设计的新型无金属红外非线性光学晶体

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研究背景

非线性光学(NLO)响应是介质在强相干光作用下产生的非线性现象。利用非线性光学响应可以拓宽激光输出的频率范围，所以非线性光学晶体材料在民事和军事领域（例如：光通讯和信息处理、医疗、红外技术、环境监测、激光对抗和激光雷达等）都有着重要的应用。产生二阶非线性光学响应的先决条件是晶体必须结晶于非中心对称空间群，但是，非中心对称晶体材料的设计与合成仍然面临着重大挑战。因此，设计与合成非中心对称晶体是该领域的研究重点与难点。

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研究内容

近日，中国科学院福建物质结构研究所罗敏课题组基于多晶型策略设计并合成了一例新型无金属红外非线性光学晶体γ-P₄S₃I₂，并对其进行了性能表征和结构与性能关系的研究。非中心对称的γ-P₄S₃I₂（图1c, d）与中心对称的α-P₄S₃I₂（图1a, b）含有相同的P₄S₃I₂分子笼，且结构基元类似，但是它们的排列方式不相同，导致这两种化合物具有相同的化学组成，却结晶于不同的空间群，这是由于它们的合成条件不同，主要影响因素是结晶温度。

图1 γ-P₄S₃I₂（c, d）与α-P₄S₃I₂（a, b）的结构对比

γ-P₄S₃I₂具有良好的非线性光学性能，其带隙为2.38 eV，倍频效应为AgGaS₂的0.5倍，能够实现相位匹配（图2）。γ-P₄S₃I₂在2050 nm的理论计算双折射为0.118（图3a），由其态密度图和倍频密度图中可以看出，γ-P₄S₃I₂的光学性质主要由P₄S₃I₂分子笼决定，其倍频效应的来源也是P₄S₃I₂分子笼。

图2 γ-P₄S₃I₂的带隙（a）与二阶倍频效应（b）

图3 γ-P₄S₃I₂的理论计算结果

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总结展望

这项工作是在非线性光学晶体的研究中，通过多晶型策略来设计合成非中心对称晶体的一次成功尝试，对后续探索新型非线性光学晶体材料具有重要意义。

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论文信息

γ-P₄S₃I₂: a new metal-free infrared second-order nonlinear optical crystal designed by polymorphism strategy

Xin Zhao, Chensheng Lin, Shunda Yang, Haotian Tian, Chao Wang, Tao Yan, Jian Zhang, Bingxuan Li, Ning Ye and Min Luo

Inorg. Chem. Front., 2023, 10, 1119-1126

https://doi.org/10.1039/D2QI02313J

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

罗敏 研究员

中国科学院福建物质结构研究所

罗敏，研究员，硕士生导师。2011年毕业于中南大学，2016年获中科院福建物质结构研究所博士学位。随后留所工作，现任福建物构所课题组组长，主要从事新型非线性光学晶体的研究及光电功能晶体的生长工作。2020年入选“中科协青年人才托举工程”，2022年获“国家优秀青年科学基金”。以通讯或第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Chem. Sci.、Chem. Mater.等国际学术期刊共发表论文50余篇。授权5件发明专利。

颜涛 副研究员

中国科学院福建物质结构研究所

颜涛，中国科学院福建物质结构研究所副研究员，中国晶体学会青年工作委员会委员。2011年于山东大学获得博士学位（导师：王继扬、刘宏教授）；2011-2017年，在台湾中山大学（合作导师：张六文、周明奇教授）、中科院福建物构所（合作导师：叶宁研究员）从事博士后研究。2017年入职中科院福建物构所，加入叶宁、罗敏课题组。主持国家自然科学基金青年基金、福建省自然科学基金等项目。主要从事光电功能晶体生长研究以及氧化物薄膜与纳米材料制备，以第一或通讯作者在Natl. Sci. Rev.、Chem. Sci.、Opt. Express等期刊发表学术论文20余篇。

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