【儀表網 研發快訊】紅外非線性光學晶體作為激光頻率轉換的關鍵器件，在全固態激光器中具有廣泛的應用。當前商用的中遠紅外非線性光學晶體主要包括類金剛石結構的AgGaS2，AgGaSe2和ZnGeP2等化合物。然而，由于各自本征的性能缺陷，這些材料已不能完全滿足當前紅外激光技術發展的需求。因此，亟需開發性能優異的新型中遠紅外非線性光學材料。汞具有獨特的電子構型，有利于形成高度極化的Hg2+離子，從而產生顯著的非線性光學響應。因此，含汞硫屬化合物被視為開發高性能紅外非線性光學材料的最有前景的系統之一，但由于Hg的5d和6s電子，之前發現的汞基硫屬化合物普遍存在帶隙小的缺點。
針對這個問題，中國科學院新疆理化技術研究所晶體材料研究中心在前期的研究基礎上，通過系統分析[HgS4]基團畸變度對微觀性能的影響，結合結構預測，在Hg-Zn-P-S體系合成出首例寬帶隙的汞基紅外非線性光學材料Zn2HgP2S8。該化合物帶隙達到了3.37 eV，打破了汞基紅外非線性光學材料帶隙長期小于3.0 eV的帶隙“壁壘”。同時Zn2HgP2S8表現出大的倍頻效應，約為1.1 ×AgGaS2，并能實現Ⅰ型相位匹配。相比于前期開發的大倍頻紅外非線性光學材料Hg3P2S8(Chem. Mater., 2021, DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c01982)，Zn2HgP2S8表現出更平衡的倍頻效應及光學帶隙。理論計算的結果表明，在類金剛石結構中，相比于低畸變度的[HgS4]基團，高度畸變的[HgS4]基團更有利于誘導寬的帶隙，為后續設計寬帶隙汞基類金剛石結構材料提供了一個新的思路。這一結果將激勵科研人員探索更多綜合性能優異的汞基類金剛石紅外非線性光學材料。該研究成果發表在Wiley公司出版的《Small》上(Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202305074)。
圖1：通過組合[HgS4]n、[HgS4]d、[ZnS4]、[PS4]四面體基團，設計的類金剛石晶體結構。a) Hg3P2S8-I, b) Hg3P2S8-II, (c) Hg3P2S8-III, d) ZnHg2P2S8-I, e) Zn2HgP2S8-I, f) ZnHg2P2S8-II, g) Hg3P2S8-IV, h) Zn2HgP2S8-II (ZHPS)。
圖2：(a)Zn2HgP2S8的原子配位情況；(b-d)Zn2HgP2S8的晶體結構；(e)Zn2HgP2S8的實驗帶隙；(f)Zn2HgP2S8的透過光譜；(g)Zn2HgP2S8和AgGaS2在2.09 μm激光下不同顆粒度的倍頻效應；(h)汞基化合物的性能統計分析。
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