中科院新疆理化所在四元碱金属红外非线性光学晶体研究中取得进展

中远红外激光（2-20 μm）在国防、通讯、医疗以及安全方面有着重要的应用，其中红外非线性光学晶体是实现中远红外激光输出的关键器件。目前商业化的红外非线性光学晶体存在多方面的性能缺陷，限制了它们的应用范围。因此，设计和探索新型的红外非线性材料成为红外激光领域发展的重要方向。

中国科学院新疆理化技术研究所光电功能材料团队自2013年起逐渐开展红外非线性光学材料的研究，通过调研发现Hg阳离子具有多变的配位环境，而且当它与易畸变的四面体基元以及碱金属相结合时利于形成非中心对称结构。因此科研人员选取Na-Hg-M-S（M = Si, Ge, Sn）体系为研究对象，通过在密闭真空石英管中进行高温固相反应，最终得到三种具有优良性质的四元碱金属红外非线性光学材料，即Na2Hg3Si2S8，Na2Hg3Ge2S8，Na2Hg3Sn2S8。这三种材料结晶于相同的非中心对称空间群，P c2，观察其晶体结构时，发现存在特殊的多孔道结构，包括全封闭、半开以及开放的孔道。

此外，在与其他碱金属同构物（Na-Cs）结构比较时，科研人员还发现这些化合物都结晶于不同的空间群，而且其结构对称性随着碱金属离子半径减少而逐渐增加，这种变化规律在四元金属硫属化合物中很少发现。性能测试表明发现的这三种材料均具有很好的光学性能，基本满足优异红外非线性光学材料的要求，包括宽的透过范围、高的激光损伤阈值、大的非线性系数和环境稳定性。其中Na2Hg3Si2S8和Na2Hg3Ge2S8很好地实现了高激光损伤阈值和大非线性系数之间的平衡，消除了目前商业化红外非线性光学晶体的一系列性能缺陷（低的激光损伤阈值和强的双光子吸收），能够作为潜在优异的红外非线性光学材料。引入碱金属和d10元素调控晶体结构为设计新型红外非线性材料提供了一个有效思路。

该研究成果已于近期发表在Chemistry of Materials上。

相关研究工作得到中科院“西部之光”项目、国家自然科学基金等项目资助。

Na2Hg3M2S8 (M = Si, Ge, and Sn)晶体的结构图及性能指标