I cristalli ottici non lineari a infrarossi (NLOC), come dispositivi chiave per la conversione della frequenza laser, hanno importanti applicazioni nei laser interamente a stato solido. Gli attuali cristalli ottici IR non lineari commerciali includono principalmente composti di tipo calcopirite composti da gruppi tetraedrici, come AgGaS2 (AGS), AgGaSe2 e ZnGeP2 (ZGP). Tuttavia, a causa dei rispettivi difetti prestazionali intrinseci, questi materiali non sono più in grado di soddisfare pienamente le esigenze dell’attuale sviluppo della tecnologia laser a infrarossi. Pertanto, c'è un urgente bisogno di progettare nuovi materiali ottici non lineari all'infrarosso basati su nuovi motivi o nuove strategie per superare i limiti delle proprietà dei materiali esistenti e ottenere nuovi materiali ottici non lineari all'infrarosso ad alte prestazioni con nuove strutture.
Il Centro di ricerca sui materiali cristallini dell'Istituto di tecnologia fisica e chimica dello Xinjiang, Accademia cinese delle scienze, è stato dedicato alla ricerca di nuovi cristalli funzionali optoelettronici. Studi precedenti hanno dimostrato che il mercurio ha una configurazione elettronica unica, che favorisce la formazione di ioni Hg2+ altamente polarizzati, risultando in una significativa risposta ottica non lineare. Nel frattempo, Hg ha abbondanti forme di coordinazione e può formare radicali attivi non lineari lineari [HgSe2], planari [HgSe3] e triangolari-conici [HgQ4] (Q=S, Se) nel processo di legame con elementi solforati. A causa della limitazione della quinta regola di Bowling (regola del risparmio), la maggior parte dei composti di zolfo a base di Hg pre-sintetizzati contengono solo un singolo motivo reattivo non lineare e i composti composti da tetraedri [HgQ4] sono predominanti, il che limita l'effetto chimico e strutturale diversità dei composti a base di mercurio. Sulla base di ricerche precedenti, il gruppo di ricerca guidato dal ricercatore Pan Shilie e dal ricercatore Li Junjie presso il Centro di ricerca sui materiali cristallini dell'Istituto di fisica e chimica dello Xinjiang, Accademia cinese delle scienze, ha proposto una strategia di progettazione "tre in uno" in il sistema di composti di zolfo a base di Hg, cioè tre tipi di anisotropie di polarizzabilità non linearmente attive ma diverse di gruppi ［HgQn] (n=2, 3, 4) nel tentativo di rompere la limitazione del "risparmio" rule" in un singolo composto e ha sintetizzato il primo materiale ottico non lineare a infrarossi a base di mercurio Hg7P2Se12 (HPSe), che contiene [HgSe2], [HgSe3] e [HgSe4] allo stesso tempo. Il composto mostra un'ampia risposta in ottava del secondo ordine (∼1 × AGS) sotto una sorgente luminosa di due micrometri e il cristallo ha un ampio limite dell'infrarosso (∼22,8 μm) e un'elevata soglia di danno laser (∼2 × AGS), suggerendo che infrangere la "regola di conservazione" e aumentare la diversità dei gruppi è una strategia efficace per la progettazione. Ciò suggerisce che infrangere la "regola del risparmio" e aumentare la diversità dei gruppi è una strategia efficace per progettare nuovi materiali ottici non lineari a infrarossi con struttura innovativa e prestazioni eccellenti. Questo risultato ispirerà i ricercatori a esplorare nuovi materiali ottici non lineari a infrarossi con prestazioni globali eccellenti.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati integralmente in Advanced Functional Materials da Wiley, con lo Xinjiang Institute of Physics and Chemical Technology (XICT) come unica unità di completamento, Shiliu Pan e Junjie Li come autori corrispondenti, e il ricercatore post-dottorato Yu Chu e studente di dottorato Hongshan Wang come co-primi autori. Il lavoro di ricerca è stato finanziato dal Programma Talenti dell’Accademia Cinese delle Scienze, dalla Fondazione Nazionale di Scienze Naturali della Cina e dalla Fondazione di Scienze Naturali della Regione Autonoma dello Xinjiang.
Figura 1 Struttura e proprietà ottiche dei cristalli HPSe. (a) modelli XRD di singoli cristalli HPSe (la figura inserita è una foto ottica di HPSe); (b)? Schemi di trasmissione IR di cristalli singoli HPSe, AGS e ZGP (la figura inserita è una foto ottica di HPSe, AGS e ZGP); (c) effetto di raddoppio della polvere dei campioni HPSe; (d) spettri di trasmissione UV dei singoli cristalli HPSe; e (e) tipica analisi statistica IR non lineare del seleniuro del campo di trasmissione ottica dei materiali ottici. dove il colore blu rappresenta la regione ad alta trasmittanza.
