紅外非線性光學(xué)晶體作為激光頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在全固態(tài)激光器中應(yīng)用廣泛。當(dāng)前，商用的中遠紅外非線性光學(xué)晶體主要包括類金剛石結(jié)構(gòu)的AgGaS?、AgGaSe?和ZnGeP?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(dāng)前紅外激光技術(shù)發(fā)展的需求。

因此，亟需開發(fā)性能優(yōu)異的新型中遠紅外非線性光學(xué)材料。汞具有獨特的電子構(gòu)型，利于形成高度極化的Hg2?離子，從而產(chǎn)生顯著的非線性光學(xué)響應(yīng)。因此，含汞硫?qū)倩衔锉灰暈殚_發(fā)高性能紅外非線性光學(xué)材料的最有前景的系統(tǒng)之一，但由于Hg的5d和6s電子，之前發(fā)現(xiàn)的汞基硫?qū)倩衔锲毡榇嬖趲缎〉娜秉c。

中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所晶體材料研究中心在前期研究的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)分析[HgS?]基團畸變度對微觀性能的影響，結(jié)合結(jié)構(gòu)預(yù)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(xué)材料Zn?HgP?S?。該化合物帶隙達到3.37 eV，打破了汞基紅外非線性光學(xué)材料帶隙長期小于3.0 eV的帶隙“壁壘”。

圖1 通過組合[HgS?]n、[HgS?]d、[ZnS?]、[PS?]四面體基團，設(shè)計的類金剛石晶體結(jié)構(gòu)

同時，Zn?HgP?S?表現(xiàn)出大的倍頻效應(yīng)，約為1.1 ×AgGaS?，并能實現(xiàn)Ⅰ型相位匹配。相比于前期開發(fā)的大倍頻紅外非線性光學(xué)材料Hg?P?S?，Zn?HgP?S?表現(xiàn)出更平衡的倍頻效應(yīng)及光學(xué)帶隙。理論計算結(jié)果表明，在類金剛石結(jié)構(gòu)中，相比于低畸變度的[HgS?]基團，高度畸變的[HgS?]基團更利于誘導(dǎo)寬的帶隙，這為后續(xù)設(shè)計寬帶隙汞基類金剛石結(jié)構(gòu)材料提供了新思路。

圖2 （a）Zn?HgP?S?的原子配位情況；（b-d）Zn?HgP?S?的晶體結(jié)構(gòu)；（e）Zn?HgP?S?的實驗帶隙；（f）Zn?HgP?S?的透過光譜；（g）Zn?HgP?S?和AgGaS?在2.09 μm激光下不同顆粒度的倍頻效應(yīng)；（h）汞基化合物的性能統(tǒng)計分析。

上述成果將激勵科研人員探索更多綜合性能優(yōu)異的汞基類金剛石紅外非線性光學(xué)材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在Small期刊上。

審核編輯：劉清