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Angew. Chem. :无偏高通量筛选发掘新型高热导率非线性光学材料2023-05-04
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通过非线性光学材料进行频率转换是产生激光束的一种方便而高效的方法,寻找具有高激光损伤阈值、大非线性光学响应的候选材料是非线性光学材料研究的长期焦点。宽带隙和高热导率是提升抗激光损伤阈值的关键,然而,随着带隙增大,非线性光学和热导率有下降的趋势,寻找具有高热导率且光学性能平衡的非线性光学晶体是该领域的一大难题。随着计算技术的发展,传统的“炒菜式”化学合成方法难以满足大规模发现新材料的需求,数据驱动的高通量筛选方法已经成为加速新材料发现的重要手段。当前,非线性光学材料的筛选设计主要聚焦于光学性能,而热导率由于计算资源的限制很难评估,往往缺失了热导率评估。如何构建新研究模式,以实现对具有高热导率和平衡性能的非线性光学材料高效筛选,为实验合成提供靶向指导,提高新材料的开发效率,是该领域面临的重要挑战。

针对非线性光学材料高通量筛选的难题,近日,中国科学院新疆理化技术研究所杨志华、潘世烈研究团队在Angewandte Chemie International Edition上发表了研究文章,报道了一种针对非线性光学材料的无偏筛选方法,实现了热导率的快速高通量计算。提出了光学性能-热导率-热力学和动力学稳定性的多级靶向筛选策略,实现了Materials Project中14+万化合物的快速靶向筛选,成功筛选出具有平衡的非线性光学性能的化合物,并实现了实验验证。该方法首次实现了针对非线性光学晶体热导率的高通量评估,展现了从理论筛选到实验验证的成功案例,为多级靶向筛选非线性光学材料提供了崭新的研发模式,为后续新型非线性光学晶体材料的设计及合成提供了一种有效策略。

在本工作中,研究团队首先从Material Project的140000多种材料中筛选得到1925种具有合适带隙的稳定或者亚稳材料,通过稳定性筛选、带隙筛选后,经过高通量计算,筛选得到了106种具有所需带隙(大于2.5 eV)和非线性光学系数(大于6 pm/V)的化合物,随后,发展基于Slack模型的高通量系统,获得材料的热导率,并筛选得到热导率大于1 W/mK的候选材料。最终,遴选出11种新型的硫属化合物和6种新型的氮化物候选材料,均具有良好的光学性能:大的非线性光学响应(0.5-2.9×AgGaS2),宽带隙(2.59-4.09 eV)。团队还对其中的一例硫属化合物Sr2SnS4进行了实验合成,测试了其非线性光学系数,验证了筛选的有效性。

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同时,团队使用第一性原理计算了ZrZnN2在ab面300 K时的热导率为5.13 W/(m·K),几乎是AgGaS2的五倍。与硫化物相比,氮化物的热导率高得多,进一步的分析表明,ZrZnN2高度对称有序的结构,强的Zr-N键合作用、高声子速度和长声子寿命是其具有较高热导率的根本原因。

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此外,发掘了系列新型非线性光学活性基元:[MN4](M=Mg,Zn,Mo,Ti,W,Ca,Ge)和[ZrN6],处于非中心对称子晶格下具有强键合作用[MN4]对非线性光学效应有重要贡献。

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文信息

Unbiased Screening of Novel Infrared Nonlinear Optical Materials with High Thermal Conductivity: Long-neglected Nitrides and Popular Chalcogenides

Dongdong Chu, Yi Huang, Congwei Xie*, Evgenii Tikhonov, Ivan Kruglov, Guangmao Li, Shilie Pan*, Zhihua Yang*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202300581

 

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