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文章来源: 材料科学与工程       发布时间:2019-05-17

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5月17日,记者了解到,北京大学化学与分子工程学院黄富强教授课题组与合作者通过合理的晶体结构设计,成功获得两种具有优良性能的新型功能材料,分别为强响应红外非线性光学晶体Sr6Cd2Sb6O7S10,以及高稳定性的锂离子导体Li4Cu8Ge3S12。黄富强课题组与中国科学院理化技术研究所姚吉勇教授课题组、华中科技大学翟天佑教授课题组合作,从晶体结构设计出发,开创性地将高度极化的Sb/O/S基团作为功能基元,开发出一种新型强响应红外非线性光学晶体Sr6Cd2Sb6O7S10。该材料在2.09mm激光照射下,可以实现高强度倍频信号(SHG)输出,是同等条件下AgGaS2的4倍,这是目前已报道的氧硫化物非线性材料中的最高值。

北大教授获得优良性能新型功能材料 助力探索光学晶体材料

晶体结构设计是探索新型无机功能材料的有效手段。


波长在3-20mm的中远红外可调谐激光在军事和民用方面如激光制导、红外激光通讯、红外遥感、红外激光雷达及环境监测等,都有非常重要的应用。红外非线性光学晶体材料可以通过光学参量震荡(OPO)、倍频(SHG)或者差频(DFG)等非线性频率转换技术变频输出中远红外激光。目前实用的ZnGeP2、AgGaS2和AgGaSe2等黄铜矿结构晶体均为国外在20世纪70年代发现,但它们都存在各自的问题,例如AgGaS2的热导率小、激光损伤阈值较低,难以实现高功率激光输出;ZnGeP2晶体中存在严重的双光子吸收,难以实现宽频输出。这些问题都限制了材料的实际应用。因此,探索高性能的新型红外非线性光学晶体材料具有十分重要的意义。

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Sr6Cd2Sb6O7S10晶体结构设计及红外非线性响应


此外,基于单晶及粉末样品的变温测试表明,通过降温可以实现材料更强的倍频响应。该材料具有相位匹配的特性,可以满足实际应用需求。理论计算表明,材料的非线性响应主要来源于高度极化的SbOS4基团,验证了晶体结构设计思路的有效性。本研究为探索高性能新型红外非线性光学晶体提供了新的设计思路。研究结果以“Sr6Cd2Sb6O7S10: Strong SHG Response Activated by Highly Polarizable Sb/O/S Groups”为题于2019年4月15日发表于Angewandte Chemie。北京大学2014级博士生王瑞琦为本文的第一作者,黄富强、姚吉勇、翟天佑和张弦博士为本文的通讯作者。


Li4Cu8Ge3S12晶体结构设计及锂离子导电性


据了解,晶体材料国家重点实验室晶体生长方法齐全,结构、性能表征与器件制作设备先进;科研工作已由以前单纯地跟踪、模仿逐步发展到今天在材料设计、制备及相关技术等方面颇具创新能力,整体研究实力处于国际先进水平,同时逐步形成优秀的研究群体;研究领域由体块晶体向低维化方向拓展,研究层次由宏观向介观、微观扩展。


晶体材料国家重点实验室晶体生长方法齐全,结构、性能表征与器件制作设备先进;科研工作已由以前单纯地跟踪、模仿逐步发展到今天在材料设计、制备及相关技术等方面颇具创新能力,整体研究实力处于国际先进水平,同时逐步形成优秀的研究群体;研究领域由体块晶体向低维化方向拓展,研究层次由宏观向介观、微观扩展。


国家重点实验室是1984年我国首批建设的国家重点实验室之一,1987年11月通过国家验收


后正式对外开放运行,属应用基础研究类国家重点实验室。实验室于1990年、1997年和2003年三次参加了由国家计委委托国家自然科学基金委组织的统一评估, 成绩均为优秀。

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山东大学晶体材料研究始于20世纪50年代末期, 国家重点实验室的建立为山东大学功能晶体材料研究和发展翻开新的一页。1998年在教育部主持下,晶体材料国家重点实验室与低维材料省级重点实验室进行整合,实验室得到了进一步充实与加强。2000年新山东大学的成立,又为晶体材料国家重点实验室的发展奠定了更为坚实的基础。目前晶体材料国家重点实验室已发展成为我国一个由材料学、凝聚态物理两个国家级重点学科和材料科学与工程、物理学、化学三个一级学科博士点支撑的高层次人才培养基地以及上、中、下游紧密衔接的科技成果辐射基地。


国家重点实验室建立以来,先后有LAP、KTP、双掺杂TGS、KNSBN、KTN、NdPP、NYAB、LT、DKDP、KDP、MHBA、BN等晶体材料的创新性研究工作受到了国际同行的广泛关注,获得了包括国家发明奖一等奖1项、 国家发明奖三等奖3项、国家发明奖四等奖2项、国家科技进步奖二等奖1项、国家科技进步奖三等奖1项在内的多项奖励。


自1997年评估以来,半导体激光技术、信息技术、纳米科技等新技术、新领域的飞速发展,使晶体材料国家重点实验室的建设和发展面临新的挑战和机遇。国家"创新工程体系"、"211工程"重点建设和"教育振兴计划"的实施又为晶体材料国家重点实验室的发展提供了广阔的空间和条件。六年来,为提高国家重点实验室的创新能力和团队意识,巩固并进一步发挥晶体材料国家重点实验室原有的特色和优势,全室人员发挥"团结、拼搏、求实、创新"的优良传统,踏实工作,努力进取,取得了一些重要进展。


固态电解质是全固锂电池器件的核心部件之一。硫化物锂离子导体具有媲美有机电解液的高离子电导率,然而目前此类材料的稳定性普遍较差,一定程度上限制了其大规模应用。黄富强课题组与高压科学研究中心吕旭杰研究员课题组、杨文革研究员课题组合作,利用高化学稳定性的Cu-Ge-S骨架构建开放的三维框架结构,提供锂离子的传输通道,合成了新型锂离子导体Li4Cu8Ge3S12,其离子电导率可达0.09 mS/cm,电化学稳定窗口可达1.5 V。该材料在潮湿环境及含LiOH水溶液中均具有良好的稳定性,有潜力作为固态电解质构建全固锂电器件。这项研究为探索高稳定性的新型固态电解质提供了新的设计思路。研究成果以“Chemistry Design Towards a Stable Sulfide-based Superionic Conductor Li4Cu8Ge3S12”为题于2019年4月2日发表于Angewandte Chemie。北京大学已毕业博士生王瑛琪为文章的第一作者,黄富强、吕旭杰、杨文革为本文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和北京分子科学国家研究中心等项目资助。


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