通过模块设计实现深紫外非线性光学材料预测

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

在化学合成与设计中，潜在结构的多样性是探索新化合物，功能材料的基础，但对于靶向设计具有特定性能的功能材料来说却是一个具大的挑战。然而，随着科技的发展，高性能集群的计算能力得到了大幅提升。这使得从庞大的数据库中筛选出性能优良的功能材料——高通量筛选、从第一性原理出发搜索全局势能最低结构——晶体结构预测、通过学习已有的结构特点创造出新结构等这些新型的探索材料的方法成为可能。

紫外/深紫外非线性光学材料在量子通讯、能源、工业制造和医疗卫生等领域具有广泛的应用前景。中国科学院新疆理化技术研究所新型光电功能材料实验室多年来致力于探索及设计紫外/深紫外非线性光学材料并进行软件研发、材料设计、第一性原理计算和预测研究。在潘世烈（点击查看介绍）及杨志华（点击查看介绍）研究员的指导下，科研工作者们通过研究结构性能关系，挖掘出控制相关性能响应的功能模块，从而为靶向设计与合成性能优异的紫外/深紫外非线性光学材料提供有力的依据。四面体基元是用于设计深紫外非线性光学材料的基本组成单元，但由于在倍频响应与光学各向异性响应的不确定性，相关的科学工作者并没有重视其在深紫外非线性光学材料的应用。为了探索四面体的光学各向异性响应机制，研究工作者们基于各向异性谐振子模型发展了评估四面体光学各向异性半经验模型（REDA）。此模型不但对于四面体化合物，而且适用于大多数光学材料。

在进一步的研究中，研究工作者们发现由共价相互作用较强的稀土阳离子引起的四面体角度偏离有利于四面体基元的光学各向异性并在中心对称的化合物中找到了控制四面体基元化合物光学各向异性的功能模块——具有“zipper”排列且存在角度偏离的四面体基元。在不破坏功能模块的基础之上，引入稀土元素调节晶体结构对称性把功能模块移植到非中心对称的化合物中并在磷酸盐中设计了一系列深紫外非线性光学材料。这些材料的双折射相比于之前非心四面体化合物有了明显的提升并具有深紫外截止边。其中α-YSc(PO₄)₂是到目前为止第一例达到了深紫外非线性光学材料初步评估要求的磷酸盐。

这一设计工作近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上， 文章第一作者为中科院新疆理化技术研究所博士生雷兵华。

该论文作者为：Bing-Hua Lei, Zhihua Yang, Hongwei Yu, Chao Cao, Zhi Li, Cong Hu, Kenneth R. Poeppelmeier, Shilie Pan

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Module-Guided Design Scheme for Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Materials

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10726–10733, DOI: 10.1021/jacs.8b03057

潘世烈研究员简介

潘世烈，1996年于郑州大学获理学学士学位，同年保送郑州大学研究生于1999年获理学硕士学位，2002年7月于中国科学技术大学获理学博士学位，2004年中科院理化技术研究所博士后出站，到美国Northwestern University做博士后。2007年到中科院新疆理化技术研究所工作，并入选中科院引进国外杰出人才择优支持。现任中科院新疆理化技术研究所副所长，中科院特殊环境功能材料与器件重点实验室主任。

主要从事无机光电功能晶体材料研究。已在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等国际期刊上发表论文300余篇(其中，SCI影响因子大于4.0的130余篇)；授权美国发明专利3项，中国发明专利48项。承担国家杰出青年基金、国家重点研发计划项目、中国科学院重点部署项目、新疆自治区"十三五"重大科技专项等。

http://www.x-mol.com/university/faculty/23337

杨志华研究员简介

杨志华，研究员、博士生导师。2008年12月获得浙江大学理学博士学位，凝聚态理论物理学专业。 2009年1月-2011年1月韩国成均馆大学博士后研究员，2011年1月入选中国科学院"引进海外杰出人才"。承担青年973、国家自然科学基金等课题。

主要研究领域为新型光电功能材料的设计、晶体生长温场模拟、第一性原理计算研究。研究成果发表于Phys. Rev. Lett；J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed；Phys. Rev. B，Chem. Commun., J. Mater. Chem. 等国际著名SCI期刊上40余篇。

http://www.x-mol.com/university/faculty/23354

中国科学院新疆理化技术研究所新型光电功能材料实验室：http://www.oefm.cn/

科研思路分析

Q：这项研究的最初动机是什么？或者说为什么要做这一研究？

A：在非线性光学晶体中，除了初步性能的评估，后期晶体的生长等直接影响到晶体的应用。虽然四面体基元是用于设计紫外/深紫外非线性光学材料的优秀结构组成单元，但是以下两个科学问题有待解决：a）四面体基元的线性与非线性光学响应机理并不清晰，b）材料的整体性能与微观四面体基元的光学响应之间的关系并不明确。因此，这项研究主要围绕这两个问题展开。

Q：在研究过程中的主要难点在哪？

A：在进行这项研究中主要有两个突破点：i) 找到描述四面体光学响应的物理量或描述符及四面体光学响应与材料整体性能的关系，ii) 设计出满足深紫外非线性光学材料要求的新型化合物。

Q：此项研究解决了哪些科学问题？

A：通过此项研究我们理清了四面体光学各向异性响应机理，为设计新材料提供了更多的思路。另外，为基于四面体设计新型深紫外非线性光学材料提供了理论范例。