金属硅酸盐深紫外非线性光学晶体的合成、结构及性能研究

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深紫外非线性光学晶体在激光技术中有着广泛的应用前景,合成新型的深紫外非线性光学晶体是当前的研究重点。金属硅酸盐晶体材料显示潜在的深紫外非线性光学性能。本研究探索将能透过深紫外光的Be O4四面体以及有利紫外光透过的氟元素引入到硅酸盐体系中,采用高温熔融技术,合成了四例深紫外硅酸盐光学晶体材料,并对它们的结构和性质进行了分析研究。(1)合成了两例深紫外非线性光学晶体M2Be Si O4(M=Li、Na)。Li2Be Si O4结晶于正交晶系非中心对称空间群Pmn21(No.31)。该结构中,Si O4四面体与Li O4四面体共氧连接形成一维的[Li Si O5]∞链,(Be/Li)O4四面体自身聚合形成一维的[(Be/Li)2O5]∞链。[Li Si O5]∞链与[(Be/Li)2O5]∞链在ab面共顶点交替排列形成二维的[Li Be Si O4]∞层,层与层之间通过氧原子沿着c轴形成三维的框架。Na2Be Si O4结晶于正交晶系非中心对称空间群Pca21(No.29)。该结构中,Si O4四面体和Be O4四面体共氧连接形成Be2Si2O12基团,Be2Si2O12基团共顶点连接形成具有六元环的二维[Be2Si2O4]∞层,层与层之间通过氧原子连接构成三维的框架结构,Na+阳离子填充在六元环中,保持电荷平衡。光学测试显示,Li2Be Si O4、Na2Be Si O4都具有低于200 nm的短紫外光学吸收边,能够透过深紫外光区;非线性测试初步表明,Li2Be Si O4、Na2Be Si O4具有强的相匹配非线性光学响应,分别为0.7倍、1.1倍的KDP;同时两者还显示较高的热稳定性,分别达到856°C、1156°C。第一性原理计算显示Li2Be Si O4和Na2Be Si O4的光学性质主要来源于Si O4四面体和Be O4四面体的贡献。Li2Be Si O4和Na2Be Si O4的成功合成为设计结构新颖的深紫外非线性光学晶体提供了新的研究方向。(2)合成了一例深紫外非线性光学晶体Na10Be4Si4O17。Na10Be4Si4O17结晶于六方晶系非中心对称空间群P(?)3m(No.215)。该结构中,四个Be O4四面体共顶点连接形成以O为中心的Be4O12簇,每个Be4O12簇外围与四个Si O4四面体相连构建成大的Be4Si4O17簇,孤立的Be4Si4O17簇周围被Na+阳离子包围,从而形成零维的Na10Be4Si4O17化合物。光学测试显示,Na10Be4Si4O17具有低于200 nm的短紫外光学吸收边,能够达到深紫外光区;非线性测试初步表明,Na10Be4Si4O17具有较强的非线性光学响应,约为0.6倍的KDP;该化合物还显示较高的热稳定性,可达到1045°C。第一性原理计算显示Na10Be4Si4O17的光学性质主要来源于Si O4四面体和Be O4四面体的贡献。Na10Be4Si4O17的成功合成显示了铍硅基团灵活的连接模式,为深紫外铍硅酸盐非线性光学晶体的合成提供了更广阔的发展空间。(3)合成了一例深紫外光学晶体Na Mg2Si O4F。Na Mg2Si O4F结晶于单斜晶系中心对称空间群P21/c(No.14)。该结构中,Mg O4F2八面体共边和共角连接形成Mg4O10F6基团,Mg4O10F6基团进一步连接形成二维的[Mg4O10F6]∞层,[Mg4O10F6]∞层通过孤立的Si O4四面体桥连形成三维的[Mg2Si O4F]∞框架,Na+阳离子填充在框架中,保持电荷平衡。光学测试显示,Na Mg2Si O4F具有低于200 nm的短紫外光学吸收边,能够达到深紫外光区;该化合物还显示较高的热稳定性,可达到1024°C。第一性原理计算显示Na Mg2Si O4F的光学性质主要来源于Si O4四面体的贡献。Na Mg2Si O4F有作为深紫外光学晶体材料的前景,这项工作为设计新颖的深紫外非线性光学晶体提供了新的研究思路。
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