新疆理化所在羟基化平面型硼氧基元组装设计深紫外双折射晶体取得进展

发布时间:2022-05-10

双折射晶体在光通信和激光工业中对偏振光的调制起着重要的作用。目前为止,尽管有数种双折射晶体已商业化应用,但可应用于深紫外波段的双折射晶体仍十分有限,深紫外双折射晶体的发展仍然面临着严峻的挑战。

通常实现晶体大双折射的方法主要有:金属阳离子增益(引入易产生二阶Jahn-Teller效应和高极化的d10金属阳离子等)和功能阴离子基团增益(引入具有大的极化率各向异性的平面型功能基团,如[BO3][B3O6][CO3][NO3]等)。其中,硼酸盐具有短的紫外截止边,在深紫外区透过有独特的优势,因此聚焦硼酸盐基双折射晶体材料和寻找新的性能优异的硼酸盐功能基团对设计和发展深紫外双折射晶体有重大意义。

新疆理化技术研究所新型光电功能晶体材料团队一直致力于硼酸盐新型紫外、深紫外光学晶体的研究。近日,该团队提出羟基化的平面型π共轭的[B(OH)3][B3O3(OH)3]可作为一种高效的双折射活性基团用于设计深紫外双折射晶体材料。通过将氢原子引入到[BO3][B3O6]基团中,有利于消除[BO3][B3O6]基团中终端氧原子的非键态,增大HOMO-LUMO带隙;其次,羟基的引入使[BO3][B3O6]基团中离域π轨道上的π电子更加弥散,有利于增大微观基团的极化率各向异性;此外,[B(OH)3][B3O3(OH)3]基团作为中性分子具有相似的配位环境和空间构型,这有利于它们在结构构筑中呈现自由灵活的组装模型。

基于该功能基团通过合理设计与组装,该团队首次合成了四例新的羟基硼酸盐Cs3[B(OH)3]2Cl3 (CBHC-I)CsB3O3(OH)3Cl (CBHC-II)Cs[B(OH)3][B3O3(OH)3]Cl (CBHC-III)Rb3[B(OH)3][B3O3(OH)3]2Cl3 (RBHC),在它们的结构中,[B(OH)3][B3O3(OH)3]功能基团都呈现出非常一致的共平面排列,这有利于产生大的双折射率(0.057-0.123@532 nm)。此外,这些化合物采用传统的水溶液法制备,合成条件温和(溶剂挥发法,低于80 oC),并表现出短的深紫外截止边(180 nm)。研究结果表明,基于π共轭的[B(OH)3][B3O3(OH)3]功能基团的灵活组装为设计合成新的深紫外双折射晶体材料提供新的思路。

相关研究成果以VIPVery Important Paper)的形式发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。新疆理化技术研究所为唯一完成单位,潘世烈研究员和张敏研究员为通讯编辑,博士研究生焦佳豪和程孟为第一编辑。该研究工作得到中科院青促会,国家自然科学基金,自治区重大专项等项目的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202205060

1 [BO3][B(OH)3][B3O6][B3O3(OH)3]基团的极化率各向异性和HOMO-LUMO带隙

2 CBHC-ICBHC-IICBHC-IIIRBHC的晶体结构