中遠紅外激光（2-20 μm）在國防、通訊、醫療以及安全方面有著重要的應用，其中紅外非線性光學晶體是實現中遠紅外激光輸出的關鍵器件。目前商業化的紅外非線性光學晶體存在多方面的性能缺陷，限制了它們的應用范圍。因此，設計和探索新型的紅外非線性材料成為紅外激光領域發展的重要方向。
中國科學院新疆理化技術研究所光電功能材料團隊自2013年起逐漸開展紅外非線性光學材料的研究，通過調研發現Hg陽離子具有多變的配位環境，而且當它與易畸變的四面體基元以及堿金屬相結合時利于形成非中心對稱結構。因此科研人員選取Na-Hg-M-S（M = Si, Ge, Sn）體系為研究對象，通過在密閉真空石英管中進行高溫固相反應，最終得到三種具有優良性質的四元堿金屬紅外非線性光學材料，即Na2Hg3Si2S8，Na2Hg3Ge2S8，Na2Hg3Sn2S8。這三種材料結晶于相同的非中心對稱空間群，P c2，觀察其晶體結構時，發現存在特殊的多孔道結構，包括全封閉、半開以及開放的孔道。
此外，在與其他堿金屬同構物（Na-Cs）結構比較時，科研人員還發現這些化合物都結晶于不同的空間群，而且其結構對稱性隨著堿金屬離子半徑減少而逐漸增加，這種變化規律在四元金屬硫屬化合物中很少發現。性能測試表明發現的這三種材料均具有很好的光學性能，基本滿足優異紅外非線性光學材料的要求，包括寬的透過范圍、高的激光損傷閾值、大的非線性系數和環境穩定性。其中Na2Hg3Si2S8和Na2Hg3Ge2S8很好地實現了高激光損傷閾值和大非線性系數之間的平衡，消除了目前商業化紅外非線性光學晶體的一系列性能缺陷（低的激光損傷閾值和強的雙光子吸收），能夠作為潛在優異的紅外非線性光學材料。引入堿金屬和d10元素調控晶體結構為設計新型紅外非線性材料提供了一個有效思路。
該研究成果已于近期發表在Chemistry of Materials上。
相關研究工作得到中科院“西部之光”項目、國家自然科學基金等項目資助。
Na2Hg3M2S8 (M = Si, Ge, and Sn)晶體的結構圖及性能指標
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