功能金属亚硒(碲)酸盐的结构设计与合成

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非线性光学晶体是重要的光电功能材料,它在光电子技术中最重要的应用是激光变频,尤其是其倍频效应,即二阶非线性光学效应。无机亚硒(碲)酸盐在二阶非线性光学材料领域一直占据重要地位,因为Se4+和Te4+离子含有一对立体活性的孤对电子,它们的配位多面体易发生次级Jahn-Teller畸变,使得Se4+和Te4+离子形成不对称的配位环境,从而导致金属亚硒(碲)酸盐呈现多种多样的化学结构,且易形成非中心对称的结构或极性结构,这是很多优异的物理性能的研究基础,因此金属亚硒(碲)酸盐引起广泛的研究。本论文开展了新型亚硒(碲)酸盐二阶非线性光学材料的探索工作。一方面,我们尝试合成含d0过渡金属离子的新型亚硒(碲)酸盐,通过d0过渡金属离子和Se4+和Te4+离子的畸变叠加增加获得非中心对称结构化合物的可能性,同时可以提高化合物的倍频效应强度,在此基础上我们引入卤素离子,在丰富化合物的结构的同时,达到进一步增强其非线性效应的目的;另一方面,我们尝试合成含磁性粒子Cu2+离子构筑单元的混金属亚硒(碲)酸盐,期望得到同时兼具非线性效应和有趣磁性能的多功能晶体。  基于此两点思路,我们通过高温固相合成和水热合成法得到了18个金属亚硒(碲)酸盐新化合物,利用X射线单晶及粉末衍射、红外光谱以及EDS元素分析等手段确定了它们的组成和结构,同时对这些化合物的热稳定性、磁性或二阶非线性光学性质进行了研究。主要结果总结如下:  (1)通过高温固相合成法和水热合成法,成功得到了α-NaTaO(SeO3)2(1)、β-NaTaO(SeO3)2(2)、NaNbO(SeO3)2(3)、Na2Nb4O7(SeO3)4(4)、Cs(TaO2)3(SeO3)2(5)和Cs(TiOF)3(SeO3)2(6)六个含d0过渡金属的碱金属亚硒酸盐新化合物。其中,化合物1、2和3中含有一维阴离子链结构,化合物4含有三维阴离子网络结构,而化合物5和6中含二维阴离子层状结构。六个化合物中,3和6具有非心结构。测试表明,化合物3和6的粉末倍频效应分别约为KH2PO4(KDP)的5倍和7.8倍。  (2)首次将d0过渡金属引入到亚硒(碲)酸汞中,得到了Hg2MoSeO6(7)、α-Hg2MoTeO6(8)、β-Hg2MoTeO6(9)和Hg2Mo2TeO9(10)四个新化合物。其中,化合物7和8是同构化合物,而化合物8和9是同分异构体。四例化合物中,抗衡阳离子都含有成对出现的Hg22+,Te4+离子表现出多种配位,它们与MoO6八面体相互连接,形成多种新颖的三维结构。  (3)在PbⅡ-(d0-TM)-SeⅣ-O-X体系中,我们得到了Pb2TiOF(SeO3)2Cl(11)、Pb2NbO2(SeO3)2Cl(12)、Pb2VO2(SeO3)2Cl(13)、Pb4V6O16(SeO3)3(H2O)(14)和PbVO2(SeO3)F(15)五个化合物。化合物11、12和13是同构化合物。除了化合物15,其它四个化合物都结晶于手性空间群P21。测试表明,化合物11、12和14的粉末倍频效应分别约为KH2PO4(KDP)的9.6、2.3和0.2倍。对化合物11和12的理论计算研究表明,F-离子的引入改变了化合物的电子结构,从而导致了同构化合物之间倍频效应的巨大差别。  (4)在(d10-TM)-CuⅡ-SeⅣ/TeⅣ-O体系中,我们得到了CdCu(SeO3)2(16)、HgCu(SeO3)2(17)和和Hg2Cu3(Te3O8)2(18)三个新化合物。化合物16和17是同构化合物,含有三维的阴离子结构[Cu(SeO3)2]2-,其中磁性粒子Cu2+离子是五配位的,CuO5通过共边形成二聚体[Cu2O8]12-。而化合物18具有漂亮的蜂巢状阴离子结构[Cu3(Te3O8)2]2-,其中磁性粒子Cu2+离子位于四配位的平面四边形中心。磁性研究表明,三个化合物均具有趣的磁学性能。
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