红外非线性晶体Na2Ge2Se5的合成及其性能研究

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多元金属硫族化合物Na2Ge2Se5是一种极具潜质的新型中长波红外非线性晶体材料。其非线性光学系数大(x(2)=287.5±3.2 pm/V);透光波段范围大(0.52~18.2μm);熔点低(576℃);带隙宽度大(Eg=2.38 eV),可能具备较高的抗激光损伤阈值。  本文采用高纯单质Na和Se合成Na2Se,再与Ge、Se按化学计量比通过反应熔盐法合成Na2Ge2Se5。针对Na和Se需在低温液氨溶液中反应、液氨中制备Na2Se需高温烘干以及转移、抽真空、密封等操作需在无水无氧条件下进行的合成条件和要求,本文设计并搭建了合成装置,完成了样品反应、液氨挥发及样品烘干等一整套工艺流程,从而实现了Na2Se稳定高效的制备。Na2Se样品XRD图谱中衍射峰明锐且无杂峰,表明制备出高纯单相的Na2Se原料。再以Na2Se和Ge、Se为原料,通过反应性熔盐法合成的Na2Ge2Se5。样品经EDS和XRD分析表明所合成物质为高纯单相Na2Ge2Se5多晶,晶格常数a=1.4081 nm,b=0.6162 nm,c=1.1009 nm,这为后续Na2Ge2Se5单晶生长提供了优质的多晶原料。  本文采用基于第一性原理的CASTEP软件包研究了Na2Ge2Se5的电子结构和光学性质,包括能带结构、态密度、Mulliken布居数、介电函数、反射谱、吸收谱和折射率等。结果表明,Na2Ge2Se5是宽禁带间接带隙半导体,光学性质主要由Ge和Se决定,Na因电子局域性大,对光学性质影响较小。Ge和Se以共价键结合形成[Ge2Se5]2-作为层状结构单元,Na分布在Ge-Se网格之间形成离子键。Na2Ge2Se5晶体对紫外光具有强烈的吸收和反射,静态双折射率为0.145,说明晶体可在红外波段实现相位匹配。利用计算得到的折射率值,拟合出Sellmeier方程,并以此为基础通过MATLAB软件计算了Na2Ge2Se5晶体空间倍频、主平面内倍频及和频的相位匹配曲线。  高纯Na2Se和Na2Ge2Se5的成功制备为后续单晶生长奠定了基础,同时其制备方法对于合成碱金属硫族化合物以及探索其他含碱金属硫族化合物功能材料具有重要参考意义。Na2Ge2Se5的理论计算结果有助于深入理解其成键特点和光学性质的微观机理,相位匹配曲线计算可为激光实验提供理论参考。
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