【RSC英国皇家化学会】新疆理化所潘世烈/张敏等顶刊综述: 非线性光学晶体材料的理性设计

发布时间：2024-09-24 | 【大中小】

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ChemSocRev (Chemical Society Reviews) 是英国皇家化学会出版的一本顶尖期刊，发表高影响力、高权威性和高可读性的综述论文。从 1947 年创办的前身 Quarterly Review of the Chemical Society 算起，ChemSocRev 在这 70 多年里发表了许多影响深远的综述论文，已经成长为化学科学领域最具影响力和认可度的期刊之一，同时在所有科技期刊中也长期稳居各种影响力指标排名的前列。

本期内容介绍中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员和张敏研究员团队近期发表的综述论文，该文提出利用优势结构模板 (advantageous template) 策略来设计非线性光学晶体材料，总结了该领域的近期进展和未来前景，为非线性光学材料的发展提供了非常有价值的参考。

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Review Article

Recent advances in rational structure design for nonlinear optical crystals: leveraging advantageous templates

Ziting Yan, Jinbin Fan, Shilie Pan* and Min Zhang*
Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 6568-6599

请点击文末「阅读原文」链接，或复制以下链接到浏览器中打开原文：

https://doi.org/10.1039/D3CS01136D

燕紫婷

中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心

特殊环境条件功能材料与器件重点实验室

2020 年本科毕业于郑州大学，此后加入潘世烈研究员课题组，目前在中国科学院大学攻读博士学位。主要研究方向为光学材料。

范进斌

中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心

特殊环境条件功能材料与器件重点实验室

2020 年本科毕业于郑州大学，此后加入潘世烈研究员课题组，目前在中国科学院大学攻读博士学位。主要研究方向为光学材料。

潘世烈

中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心

特殊环境条件功能材料与器件重点实验室

研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才，百千万人才工程国家级人选，中国科学院高层次人才计划入选者，国务院特殊津贴专家。现任中国科学院新疆理化技术研究所所长，党委委员，学术委员会主任，中国科学院“特殊环境功能材料与器件”重点实验室主任。

1996 年于郑州大学获得理学学士学位，同年保送郑州大学研究生于 1999 年获理学硕士学位，2002 年于中国科学技术大学获理学博士学位，2004 年中国科学院理化技术研究所博士后出站后，到美国西北大学做博士后研究，2007 年以中国科学院高层次人才计划招聘回国到中国科学院新疆理化技术研究所工作。

主要研究方向包括光电功能晶体设计、晶体生长、器件研制及应用评估等。

张敏

中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心

特殊环境条件功能材料与器件重点实验室

研究员，博士生导师，国家自然科学基金-优秀青年基金项目获得者。2006 年本科毕业于东华理工大学，2009 年和 2012 年分别于武汉理工大学和中国科学院大学获得硕士和博士学位。2014 年起任中科院新疆理化技术研究所副研究员，2019 年晋升为研究员。

目前主要从事光电功能晶体的设计、合成及生长研究。

引言

什么是非线性光学晶体

光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光强不太大时，晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略；但是，当光强很大时，如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略，这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应，具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。

非线性光学晶体材料的产生

1961 年，美国科学家 Franken 将一束红宝石产生的激光束入射到石英晶体上，发现射出的激光束中除了红宝石的 693.4 nm 的光束外，在紫外区还出现了一条二倍频率的 347.2 nm 的光谱线，这是首次发现晶体的非线性光学效应。科学家们立即认识到非线性光学材料可以作为激光变频材料。

在近 50 年的发展中，非线性光学晶体材料已成为最重要的信息材料之一，广泛应用于激光通信、光学雷达、医用器件、材料加工、X 射线光刻技术等，在人们的生活中起到了越来越重要的作用。

▲ 中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员团队在 2023 年报道了一种新型的四氟硼酸胍 (GFB) 非线性光学晶体，能高效扩展激光器的可调谐范围，是首例实现了全波段双折射相位匹配的紫外／深紫外倍频晶体材料，在半导体晶圆检测等领域具有广阔应用前景。相关成果发表在 Nature Photonics 上 (https://doi.org/10.1038/s41566-023-01228-7)。

以上部分文字内容来源于：http://www.xjipc.cas.cn/kxpj/kxpj/201312/P020131224487131210316.pdf

非线性光学晶体与激光紧密相连，是实现激光的频率转换、调制、偏转和 Q 开关等技术的关键材料。当前，直接利用激光晶体获得的激光波段有限，而利用非线性光学晶体频率转换效应实现可调谐激光输出是当前拓展激光波长的有效手段，在现代激光应用中发挥着重要作用。

探索有效的结构设计策略，缩短研究周期，加速新型非线性光学晶体的理性设计，一直是光电功能晶体领域的研究热点。在过去的几十年里，研究人员陆续开发出多种综合性能比较优越的新型非线性光学晶体，其中阴阳离子替代、阴离子基团替代、共替代和结构预测等方法，成为探索非线性光学材料的有效策略和手段。这些设计方法极大地加速了非线性光学晶体的探索过程。

在本综述中，中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员和张敏研究员领衔的作者团队重点分析了利用优势结构模板策略来设计非线性光学晶体材料的进展。基于结构模板设计是当代材料科学的一个重要策略，为实现新型非线性光学材料的高效设计，缩短新材料研发周期提供了可行途径。通过使用具有优秀光学性能的非线性光学晶体结构作为优势结构模板，研究人员已经能够获得一系列衍生物，在保持母体结构优势特征的基础上，避免了晶体的局限性。

原文图 1. 该篇综述论文涉及的优势结构模板化合物的结构：(a) & (b) KBBF [KBe₂BO₃F₂]；(c) SBBO [SrBeB₂O₇]；(d) ABF [NH₄B₄O₆]；(e) & (f) β-BBO [β-BaB₂O₄]；(g) LBO [LiMB₃O₅]；(h) KTP [KTiOPO₄]；(i) CaTiO₃；(j) Bi₃NbTiO₉；(k) AGS [AgGaS₂]。

文中归纳了多种适应性强的结构优势框架作为模板，并系统调研了它们的研究进展以及这些模板的衍生化合物作为非线性光学晶体的潜在应用。同时，提出观点用于指导设计高性能非线性光学晶体材料，并对基于模板策略发展新材料面临的困难进行了展望。

以上部分文字内容来源于：https://xjipc.cas.cn/xwnew/kyjz/202407/t20240719_7231774.html

综述目录

Introduction
引言
KBe₂BO₃F₂ (KBBF)-type templates
KBe₂BO₃F₂ (KBBF)-型模版

原文图 2. [Be₂B₃O₂]_∞ 和 [Be₂BO₃F₂]_∞ 层间连接单元比较。(a) KBe₂BO₃F₂ 结构中，相邻的 [Be₂BO₃F₂]_∞ 层通过 K 和 F 原子的离子力结合在一起。(b) γ-KBe₂B₃O₇ 中 [Be₂BO₃O₂]_∞ 之间的连接单元为 [B₃O₆]^3– 基团。(c) Na₂CsBe₆B₅O₁₅ 中 [Be₂BO₅]_∞ 之间的连接单元为 [BO₃]^3– 基团。(d) Na₂Be₄B₄O₁₁ 中 [Be₂O₅]_∞ 之间的连接单元为 [B₂O₅]^4– 基团。

原文图 3. (a) NH₄Be₂BO₃F₄、(b) BaBe₂BO₃F₃、(c) γ-Be₂BO₃F 的结构。

Beryllium borates with a KBBF-like structure

具有类 KBBF 结构的铍硼酸盐

Aluminum borates with a KBBF-like structure

具有类 KBBF 结构的铝硼酸盐

Zinc borates with a KBBF-like structure

具有类 KBBF 结构的锌硼酸盐

Other borates with a KBBF-like structure

具有类 KBBF 结构的其它硼酸盐

SrBeB₂O₇ (SBBO)-type templates
SrBeB₂O₇ (SBBO)-型模版

Beryllium borates with an SBBO-like structure

具有类 SBBO 结构的铍硼酸盐

Aluminum borates with an SBBO-like structure

具有类 SBBO 结构的铝硼酸盐

Other borates with an SBBO-like structure

具有类 KBBF 结构的其它硼酸盐

NH₄B₄O₆ (ABF)-type templates
NH₄B₄O₆ (ABF)-型模版

AB₄O₆F (A =NH₄ and Cs)

A′B₄O₆F (A′ = Rb, Na, Cs/K, and Cs/Rb)

CsAB₈O₁₂F₂·CsI (A= K and NH₄)

MB₅O₇F₃ (M =Mg, Ca, Sr, and Pb)

MB₂O₃F₂ (M =Ba, Pb, and Sn)

LiMB₃O₅ (LBO)-type templates
LiMB₃O₅ (LBO)-型模版

原文图 11. (a) LiB₃O₅、(b) LiB₆O₉F、(c) Li₂B₆O₉F₂、(d) Li₂B₃O₄F₃ 的晶体结构。[BO₃F]⁴⁻ 和 [BO₂F₂]³⁻ 截断了不带端氧原子的 B–O 骨架。Li 紫色；B 深绿色；O 红色；F 粉色。

β-BaB₂O₄ (β-BBO)-type templates
β-BaB₂O₄ (β-BBO)-型模版

原文图 13. BBO 型阴离子基团的对比。

Cyanurates

氰尿酸盐

Barbiturates

巴比妥酸盐

Other 6-MR groups with [B₃O₆]-typed structures

带有 [B₃O₆]-型结构的其它 6-MR 基团

KTiOPO₄ (KTP)-type template
KTiOPO₄ (KTP)-型模版

KTP-type phosphates

KTP-型磷酸盐

KTP-type sulfates

KTP-型硫酸盐

Other KTP-type crystals

其它 KTP-型晶体

Other advantageous templates

其它优势结构模版

原文图 19. (a) BaClBF₄、(b) α-BaBOF₃ 和 (c) Cc-BaBOF₃ 的结构。

Perovskite framework-type

钙钛矿框架型

Aurivillius-type

Aurivillius型

Diamond-like templates
类金刚石模版

Diamond-like metal sulfides

类金刚石金属硫化物

Diamond-like metal selenides

类金刚石金属硒化物

Summary and outlook
总结与展望

期刊介绍

The home of high impact reviews from across the chemical sciences

rsc.li/chem-soc-rev

Chem. Soc. Rev.

2-年影响因子*	40.4分
5-年影响因子*	48.1
JCR 分区*	Q1化学-综合
CiteScore 分^†	80.8分
中位一审周期^‡	44.7天

Chem Soc Rev (Chemical Society Reviews) 是全球领先的综述类期刊，所发表的高影响力、高易读性的综述论文代表了化学科学的最前沿，体现了最高的质量和强大的国际影响力。本刊特别鼓励论文作者之间的跨国和跨学科合作。

Chair

Jennifer Love
🇨🇦 卡尔加里大学

Associate editors

Louise Berben
🇺🇸 加州大学戴维斯分校
Vy Dong
🇺🇸 加州大学尔湾分校
Rebecca Goss
🇬🇧 圣安德鲁斯大学

Giulia Grancini
🇮🇹 帕维亚大学
Zhong-Qun Tian (田中群)
🇨🇳 厦门大学
Xian-He Bu (卜显和)
🇨🇳 南开大学

Editorial board members

Osamu Ishitani
🇯🇵 东京工业大学
Tatjana Parac-Vogt
🇧🇪 鲁汶大学

Raghavan B. Sunoj
🇮🇳 印度理工学院孟买校区

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

^† CiteScore 2023 by Elsevier

^‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件