CN114775062A - 一种非线性光学晶体及其制备方法、非线性光学器件 - Google Patents

一种非线性光学晶体及其制备方法、非线性光学器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非线性光学晶体及其制备方法、非线性光学器件,属于非线性光学晶体领域,其化学式为(R/S‑C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O,属于正交晶系,空间群为P21212,晶胞参数:a=30.4964Å(R)/30.4636Å(S),b=9.6054Å(R)/9.5940Å(S),c=9.4961Å(R)/9.4791Å(S),α=β=γ=90°。该有机‑无机杂化金属卤化物非线性光学晶体采用溶液蒸发法生长,不含铅,透过范围:0.65‑3.2μm,在近红外和红外区域表现出优异的倍频性能,其粉末倍频性能为0.03×AgGaS2,该晶体可应用于非线性光学领域,丰富非线性光学材料研究内容。

Description

一种非线性光学晶体及其制备方法、非线性光学器件
技术领域
本发明涉及一种非线性光学晶体及其制备方法、非线性光学器件,属于非线性光学晶体领域。
背景技术
自20世纪60年代激光问世以来,非线性光学得到了快速发展。它主要研究激光光束与材料之间所产生的各种非线性光学现象,如光学谐波,光学混频,光学参量放大和受激拉曼散射等。其中,利用材料的二阶非线性光学效应(倍频效应)能够改变基频入射光的输出频率,从而实现激光频率的转换、扩展激光波长以及调制激光相位等,是激光制造、光通信、治疗和军事应用的关键基础。
非线性光学材料要求具有严格的非中心对称性结构,因此对材料的设计和制备具有不小的挑战。当前应用比较广泛的非线性光学晶体主要是无机材料,如铌酸锂(LiNbO3)、KTiO2PO4 (KTP,磷酸钛氧钾)、KH2PO4 (KDP,磷酸二氢钾)和β-BaB2O4 (BBO,偏硼酸钡)等。然而随着对柔性、小型化、集成化非线性光学器件需求的不断增加,无机非线性光学材料难以满足这些需求,制备的不兼容性、改性难度大等问题日益突出,因此开发新型非线性光学材料对非线性光学领域的发展至关重要。
有机-无机杂化金属卤化物具有柔性的晶体结构、低温可伸缩的溶液制备工艺和可调谐的光电性能,在频率转换和电光调制等非线性光学领域具有广阔的应用前景,显示出作为一类新型NLO(非线性光学)材料的巨大潜力。然而迄今为止报道的大多数有机-无机杂化金属卤化物都含有高浓度的有毒铅,这将阻碍其进一步应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种非线性光学晶体,具体是一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体,并提供使其呈颗粒状的制备方法和使其呈粉末状的制备方法,还提供一种含有该晶体的非线性光学器件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
第一方面,本申请提供一种非线性光学晶体,化学式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O,即(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O或(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O。
所述的非线性光学晶体属于正交晶系,空间群为P21212,晶胞参数为:a=30.4964Å (R)/30.4636 Å (S), b=9.6054 Å (R)/9.5940 Å (S), c=9.4961 Å (R)/9.4791 Å(S) , α=β=γ=90°。即(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的晶胞参数为:a=30.4964 Å, b=9.6054 Å, c=9.4961 Å , α=β=γ=90°;(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的晶胞参数为:a=30.4636 Å, b=9.5940 Å, c=9.4791 Å, α=β=γ=90°。
本申请提供的非线性光学晶体,具体是一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体,呈半透明血红色,不含有毒铅,透过范围为0.65μm-3.2μm,在近红外和红外区域表现出优异的倍频性能,其粉末倍频性能为0.03×AgGaS2,该晶体可应用于非线性光学领域,丰富非线性光学材料研究内容。
第二方面,本申请提供一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的制备方法,步骤包括:
将(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,加热搅拌至完全溶解,得到有机组分;
将Ag2O和Bi2O3加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中, 加热搅拌至完全溶解,得到无机组分;
在加热搅拌下混合所述有机组分和所述无机组分,得到混合溶液;
将所述混合溶液冷却至室温,静置后容器底部出现晶体颗粒,继续静置至晶体颗粒不再长大或析出,过滤后得到结构式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体。
制得的晶体呈半透明血红色,不含有毒铅,透过范围为0.65μm-3.2μm,在近红外和红外区域表现出优异的倍频性能。
进一步地,原料中Ag2O、Bi2O3、(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺三者的摩尔比为1:1:7至1:1:9,最优1:1:8。
进一步地,配制所述有机组分和所述无机组分时,加热搅拌的条件均为90-120℃,10-30min,最优90℃,30min。
进一步地,混合所述有机组分和所述无机组分时,加热搅拌的条件为150-200℃,60-90min,最优170℃,60min。
第三方面,本申请提供一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末的制备方法,步骤包括:
将(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,加热搅拌至完全溶解,得到有机组分;
将Ag2O和Bi2O3加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中, 加热搅拌至完全溶解,得到无机组分;
在加热搅拌下混合所述有机组分和所述无机组分,得到混合溶液;
将冷却至室温后的所述混合溶液逐滴滴加至搅拌下的纯氯苯中,过滤得到析出至纯氯苯中的物质,是为结构式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末。
进一步地,原料中Ag2O、Bi2O3、(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺三者的摩尔比为1:1:7至1:1:9,最优1:1:8。
进一步地,配制所述有机组分和所述无机组分时,加热搅拌的条件均为90-120℃,10-30min,最优90℃,30min。
进一步地,混合所述有机组分和所述无机组分时,加热搅拌的条件为150-200℃,60-90min,最优170℃,60min。
第四方面,本申请提供一种非线性光学器件,含有如第一方面所述的非线性光学晶体。
本发明的有益效果是:本发明的非线性光学晶体,呈半透明血红色,不含有毒铅,透过范围为0.65μm-3.2μm,在近红外和红外区域表现出优异的倍频性能,其粉末倍频性能为0.03×AgGaS2,该晶体可应用于非线性光学领域,丰富非线性光学材料研究内容。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的晶体结构示意图。
图2为本发明的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的XRD图。
图3为本发明的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体与AgGaS2的二倍频强度对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
铌酸锂(LiNbO3)、KTiO2PO4 (KTP,磷酸钛氧钾)、KH2PO4 (KDP,磷酸二氢钾)和β-BaB2O4 (BBO,偏硼酸钡)等当前应用广泛的无机非线性光学材料无法适应非线性光学器件对对柔性、小型化、集成化的需求。具有柔性的晶体结构的有机-无机杂化金属卤化物又多数含有铅。
针对这一问题,本发明提供一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O。本发明将对映纯手性有机分子(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺插入无铅无机框架后,通过有机部分到无机部分的手性转移,得到了非中心对称的手性晶体结构,表现出优异的非线性光学性能。
该无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的制备方法为,以Ag2O、Bi2O3以及(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺为原料,摩尔比为1:1:7~9,最优1:1:8,室温下将(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺以及Ag2O、Bi2O3分别溶于氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,溶解后将两者混合,150-200℃搅拌60-90min,最优170℃搅拌60min,待溶液冷却至室温后,得到的血红色晶体即为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O化合物。
具体包括以下步骤:
S11:室温下将R-1-(2,4-二氯苯基)乙胺或S-1-(2,4-二氯苯基)乙胺溶于氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,90-120℃搅拌10-30min,最优90℃搅拌30min,使其充分溶解混合。
S12:室温下将Ag2O和Bi2O3溶于氢碘酸和次磷酸的混合溶液中, 90-120℃搅拌10-30min,最优90℃搅拌30min,使其充分溶解混合。
S20:将步骤S11和步骤S12中的溶液混合,150-200℃搅拌60-90min,最优170℃搅拌60min,使其充分溶解混合。
S30:将步骤S20中的溶液冷却至室温,静置120min后,容器底部出现晶体颗粒,继续静置使晶体长大直至不再析出,过滤即可得到(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体。
在需要直接制备(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末时,制备方法变为:
S11:室温下将R-1-(2,4-二氯苯基)乙胺或S-1-(2,4-二氯苯基)乙胺溶于氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,90-120℃搅拌10-30min,最优90℃搅拌30min,使其充分溶解混合。
S12:室温下将Ag2O和Bi2O3溶于氢碘酸和次磷酸的混合溶液中, 90-120℃搅拌10-30min,最优90℃搅拌30min,使其充分溶解混合。
S20:将步骤S11和步骤S12中的溶液混合,150-200℃搅拌60-90min,最优170℃搅拌60min,使其充分溶解混合。
S30’:将冷却至室温后的混合溶液逐滴滴加至搅拌下的纯氯苯中,过滤得到析出至纯氯苯中的物质,是为结构式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末。
所得的(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体不含有毒铅,透过范围为:0.65-3.2μm,在近红外和红外区域表现出优异的倍频性能,所得的(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末倍频性能为0.03×AgGaS2。制备方法简单,易于操作。
本发明提供了(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体,该晶体结构中,由无机层和有机层交替堆叠形成二维结构。无机层中,BiI6八面体与AgI6八面体通过角共享交替连接,沿着c轴方向两AgI6八面体之间插入一个H2O分子。沿a轴方向,相应的手性R/S-C8H10Cl2N阳离子分布在层间以平衡电荷。其中,手性配体通过氢键与无机层连接以稳定整个晶体结构。
实施例1
采用室温下溶液蒸发法合成该无铅非线性光学晶体化合物,包括如下步骤:
称取适量Ag2O(116 mg, 0.5mmol)和Bi2O3(233mg, 0.5mmol)溶于氢碘酸(5ml, 55wt.%-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;称取适量R-1-(2,4-二氯苯基)乙胺(760 mg, 4mmol)溶于氢碘酸(5ml, 55-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;将以上两溶液混合,170℃搅拌60min,待其充分溶解混合后自然冷却至室温,静置120min后晶体析出,将溶液过滤掉,并用氯苯将析出的晶体冲洗干净,干燥后便得到无铅(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体。
实施例2
采用室温下溶液蒸发法合成该无铅非线性光学晶体化合物,包括如下步骤:
称取适量Ag2O(116 mg, 0.5mmol)和Bi2O3(233 mg, 0.5mmol)溶于氢碘酸(5ml,55 wt.%-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;称取适量S-1-(2,4-二氯苯基)乙胺(760 mg, 4mmol)溶于氢碘酸(5ml, 55-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;将以上两溶液混合,170℃搅拌60min,待其充分混合后自然冷却至室温,静置120min后晶体析出,将溶液过滤掉,并用氯苯将析出的晶体冲洗干净,干燥后便得到无铅(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体。
通过X-射线单晶衍射仪对实施例1和实施例2所得晶体进行结构解析,上述实施例1所制备的(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O非线性光学晶体属于正交晶系,空间群为P21212,晶胞参数为:a=30.4964 Å, b=9.6054 Å, c=9.4961 Å , α=β=γ=90°。晶胞体积V=2781.69 Å3,具有倍频效应,透过范围为:0.65μm -3.2μm。上述实施例2所制备的(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O非线性光学晶体属于正交晶系,空间群为P21212,晶胞参数为:a=30.4636 Å, b=9.5940 Å, c=9.4791 Å , α=β=γ=90°。V= 2770.44 Å3,具有倍频效应,透过范围为:0.65μm -3.2μm。
如图1所示,(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O和(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体结构中,由无机层和有机层交替堆叠形成二维结构。无机层中,BiI6八面体与AgI6八面体通过角共享交替连接,沿着c轴方向两AgI6八面体之间插入一个H2O分子。沿a轴方向,相应的手性R/S-C8H10Cl2N阳离子分布在层间以平衡电荷。其中,手性配体通过氢键与无机层连接以稳定整个晶体结构。具体地为,BiI6八面体与AgI6八面体中的I通过N-H∙∙∙I氢键与有机配体氨基基团连接,H2O分子中的O通过N-H∙∙∙O氢键与有机配体氨基基团连接。
实施例3
采用反溶剂沉淀法合成该无铅非线性光学晶体化合物,包括如下步骤:
称取适量Ag2O(116 mg, 0.5mmol)和Bi2O3(233 mg, 0.5mmol)溶于氢碘酸(5ml,55 wt.%-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;称取适量R-1-(2,4-二氯苯基)乙胺(760 mg, 4mmol)溶于氢碘酸(5ml, 55-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;将以上两溶液混合,170℃搅拌60min,待其充分混合后自然冷却至室温。将以上溶液逐滴滴加于伴有磁子搅动的纯氯苯中。滴加完毕后,将析出于氯苯中的物质过滤,并进一步用氯苯冲洗干净,待干燥后便得到无铅(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体粉末。
实施例4
采用反溶剂沉淀法合成该无铅非线性光学晶体化合物,包括如下步骤:
称取适量Ag2O(116 mg, 0.5mmol)和Bi2O3(233mg, 0.5mmol)溶于氢碘酸(5ml, 55wt.%-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;称取适量S-1-(2,4-二氯苯基)乙胺(760 mg, 4mmol)溶于氢碘酸(5ml, 55-57 wt.% 水溶液)和次磷酸(0.5ml, 50 wt.% 水溶液)的混合溶液中,90℃搅拌30min,使其充分溶解混合;将以上两溶液混合,170℃搅拌60min,待其充分混合后自然冷却至室温。将以上溶液逐滴滴加于伴有磁子搅动的纯氯苯中。滴加完毕后,将析出于氯苯中的物质过滤,并进一步用氯苯冲洗干净,待干燥后便得到无铅(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体粉末。
对实施例3和实施例4制得的 (R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O粉末进行XRD测试。具体是利用D8 focus型X-射线衍射仪对实施例3和实施例4晶体粉末进行X射线衍射分析,结果如图2所示,证实两个样品均为纯相。
对实施例1和实施例2制得的(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体经样品筛筛至粒径为150-200μm后进行倍频测试。取适量实施例1和实施例2得到的 (R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体颗粒(粒径为150-200μm)装入两面有玻璃窗的样品池,以2090 nm Ho:Tm:Cr:YAG脉冲激光作为光源对样品进行激发,然后在出射端用探测器探测1045nm 的光信号强度,随后在示波器上显示信号,得到的结果如图3。图3中3条线(有两条强度极相近而重叠成一条)代表3个物质,纵坐标表示出射光1045nm信号相对强度,无量纲。AgGaS2为标样,形成图3中信号最强的线。(R-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O和(S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O样品的信号强度几乎完全相同,都是0.03倍标样,代表两个样品信号强度的线重叠,在图3中只看到一条信号弱的线。实验结果证明,该(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O非线性光学晶体可将2090 nm的入射光转换为1045 nm红外激光输出,具有倍频效应,其倍频性能与0.03倍AgGaS2相当。
综上,本发明生长出(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体。该 (R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体的透过范围为:0.65-3.2μm。该 (R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O晶体呈半透明血红色,在近红外和红外区域表现出优异的倍频性能,其粉末倍频性能与0.03倍AgGaS2相当。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非线性光学晶体,其特征在于,化学式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O。
2.根据权利要求1所述的非线性光学晶体,其特征在于,属于正交晶系,空间群为P21212,晶胞参数为:a=30.4964 Å (R)/30.4636 Å (S), b=9.6054 Å (R)/9.5940 Å(S), c=9.4961 Å (R)/9.4791 Å (S) , α=β=γ=90°。
3.根据权利要求1所述的非线性光学晶体,其特征在于,晶体呈半透明血红色,透过范围为0.65μm-3.2μm。
4.根据权利要求1所述的非线性光学晶体,其特征在于,其粉末倍频性能为0.03×AgGaS2
5.一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的制备方法,其特征在于,步骤包括:
将(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,加热搅拌至完全溶解,得到有机组分;
将Ag2O和Bi2O3加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中, 加热搅拌至完全溶解,得到无机组分;
在加热搅拌下混合所述有机组分和所述无机组分,得到混合溶液;
将所述混合溶液冷却至室温,静置后容器底部出现晶体颗粒,继续静置至晶体颗粒不再长大或析出,过滤后得到结构式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体。
6.根据权利要求5所述的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的制备方法,其特征在于,原料中Ag2O、Bi2O3、(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺三者的摩尔比范围为1:1:7至1:1:9。
7.根据权利要求5所述的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的制备方法,其特征在于,配制所述有机组分和所述无机组分时,加热搅拌的条件均为90-120℃,10-30min。
8.根据权利要求5所述的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体的制备方法,其特征在于,混合所述有机组分和所述无机组分时,加热搅拌的条件为150-200℃,60-90min。
9.一种无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末的制备方法,其特征在于,步骤包括:
将(R/S)-1-(2,4-二氯苯基)乙胺加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中,加热搅拌至完全溶解,得到有机组分;
将Ag2O和Bi2O3加入氢碘酸和次磷酸的混合溶液中, 加热搅拌至完全溶解,得到无机组分;
在加热搅拌下混合所述有机组分和所述无机组分,得到混合溶液;
将冷却至室温后的所述混合溶液逐滴滴加至搅拌下的纯氯苯中,过滤得到析出至纯氯苯中的物质,是为结构式为(R/S-C8H10Cl2N)4AgBiI8·H2O的无铅手性有机-无机杂化金属卤化物非线性光学晶体粉末。
10.一种非线性光学器件,其特征在于,含有如权利要求1所述的非线性光学晶体。
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