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新疆理化所在利用復合陰離子構筑深紫外雙折射晶體研究中獲進展

2021-06-25 新疆理化技術研究所
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  雙折射材料能對不同波段激光的偏振態進行調制進而被制作為光隔離器和棱鏡偏振器等光學器件。迄今,盡管有數種商用雙折射晶體已實用化,但可應用于深紫外波段的雙折射晶體仍有限。因此,亟須尋找新的光學活性基團并基于此設計新的高性能的深紫外雙折射晶體。對于深紫外雙折射晶體來說,影響雙折射率的關鍵在于功能性陰離子基元的類型及其在晶格中的排列。像[BO2]、[BO3]這樣的π共軛基元與諸如[TOxX4–x](T = B, P, Si, S; X = F, N; x = 0-4)的非π共軛基元是最常見的構筑單元。π共軛基元在同一平面內聚合或非π共軛基元的同向排列能增強極化率各向異性。此外,在非π共軛的四面體中引入雜原子能導致雙折射的增益,但是這些四面體的光學各向異性較π共軛基元而言還是小了一個數量級,因此,目前研究聚焦于π共軛體系。在實際材料設計中,考慮到非π共軛基元有助于消除π共軛基元的非鍵態從而拓寬帶隙,更傾向于將π共軛基團和非π共軛基團組裝到一起以同時發揮二者的優勢來滿足深紫外波段的應用。為此,同時具有π共軛[BO3]基元與非π共軛[BOxF4–x]基元的硼酸鹽是探索深紫外雙折射晶體的優選體系。 

  近日,中國科學院新疆理化技術研究所中科院特殊環境功能材料與器件重點實驗室潘世烈團隊提出了兩種有效策略:(1)通過引入羥基來增強[BO3]中π電子的離域同時消除其非鍵態;(2)通過將π共軛基元和非π共軛基元組裝到一起來拓寬透光范圍?;诖?,將兩種罕見的陰離子基團[B3O3F2(OH)2]和[B(OH)3]組合到一起獲得了一例羥基氟化硼酸鈉Na[B3O3F2(OH)2][B(OH)3]簡稱為NBF)。NBF的結構以在(011)平面內[B3O3F2(OH)2]和[B(OH)3]通過氫鍵連接形成的二維偽層為特征,其中[B3O3F2(OH)2]和[B(OH)3]是共平面排列的。研究人員通過固態核磁、紅外光譜和理論計算等多種方式,鑒定了其結構中存在的[B3O3F2(OH)2]和[B(OH)3]基團,為今后該類基團的鑒別提供了參考。NBF的透過光譜從實驗上證明了其在紫外波段具有寬的透過(<180 nm)。第一性原理計算進一步揭示了NBF的大雙折射率源自[B3O3F2(OH)2]和[B(OH)3]異陰離子的協同作用。通過理論計算,證實了[B(OH)3]相較于脫質子的[BO3]基元具有更大的極化率各向異性,此外,由[BO2(OH)]與[BO2F2]聚合得到的[B3O3F2(OH)2]也具有大的極化率各項異性。這表明NBF中的兩種基團都是構筑深紫外雙折射材料的優異基團。 

  NBF晶體是首例羥基氟化硼酸鈉,它表現出短的紫外吸收截止邊、寬的光學帶隙和大的雙折射率,是一例性能優異的深紫外雙折射晶體。此項研究對于在羥基氟化硼酸鹽體系中探索性能優異的深紫外雙折射晶體具有重要的研究意義,為探索高性能深紫外線性/非線性光學晶體提供了新體系。相關研究成果以Very Important Paper文章的形式發表在《德國應用化學》Angew. Chem. Int. Ed.)上。研究工作得到國家自然科學基金委、科學技術部、中科院等的資助。 

  論文鏈接 

圖為[B3O3F2(OH)2][B(OH)3]晶體雙折射率活性基團

打印 責任編輯:張芳丹

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