KR101800132B1 - Polar noncentrosymmetric borate-based crystal - Google Patents

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KR101800132B1 KR1020160129460A KR20160129460A KR101800132B1 KR 101800132 B1 KR101800132 B1 KR 101800132B1 KR 1020160129460 A KR1020160129460 A KR 1020160129460A KR 20160129460 A KR20160129460 A KR 20160129460A KR 101800132 B1 KR101800132 B1 KR 101800132B1
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옥강민
추국홍
조홍일
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

A polar non-centrosymmetric borate-based crystal of the present invention is represented by structural formula Pb_2BO_3Cl, comprises [Pb_2BO_3]^+ layers containing atom group cations represented by [Pb_2BO_3]^+, and has a structure in which chlorine ions (Cl^-) are disposed between [Pb_2BO_3]^+ layers facing each other.

Description

극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체{POLAR NONCENTROSYMMETRIC BORATE-BASED CRYSTAL}POLAR NONCENTROSYMMETRIC BORATE-BASED CRYSTAL [0002]

본 발명은 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 2차 고조파 발생 특성을 갖는 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체에 관한 것이다.The present invention relates to polar non-center-symmetrical borate-based crystals, and more particularly to polar non-center-symmetric borate-based crystals having high second harmonic generation characteristics.

캐스캐이드된(cascaded) 주파수 변화를 통해 간섭 광(coherent light)을 생성하는 고상 레이저를 위한 핵심성분인 비선형광학(nonlinear optical, NLO) 물질은 그의 다양한 과학적 및 기술적 응용으로 인해서 광범위한 상업적 및 학문적인 관심을 끌고 있다. 수십 년 전부터 결정 화합물의 구조, 조성 및 NLO 특성의 연관성을 설명하기 위한 많은 노력이 있었지만, 높은 제2 고조파 발생(second harmonic generation, SHG) 계수, 상-매칭(phase-matching) 조건을 위한 적절한 복굴절 특성, 높은 손상 문턱 값(damage threshold)을 위한 넓은 투과도 창(transparency window), 좋은 화학적 안정성, 용이한 결정 성장 등을 포함하는 우수한 복합적인 특성을 갖는 새로운 구조의 NLO 물질을 효율적으로 디자인하는 것에 대한 연구는 계속되고 있다.Nonlinear optical (NLO) materials, a key component for solid-state lasers that generate coherent light through cascaded frequency changes, are widely used in a wide range of scientific and technical applications Attracting attention. There have been many efforts to explain the relationship of structure, composition and NLO properties of crystalline compounds decades ago, but there has been a great deal of effort in describing the appropriate second birefringence for high second harmonic generation (SHG) coefficients, phase- The ability to efficiently design new structured NLO materials with excellent composite properties, including high transparency properties, high transparency windows for high damage thresholds, good chemical stability, and easy crystal growth. Research continues.

새로운 NLO 물질을 개발하기 위해 알려져 있는 기술들은, π-비편재화 시스템(π-delocalized system)에서 음이온, 2차 얀-텔러(second-order Jahn-Teller, SOJT) 변형 양이온(뒤틀린 팔면체 구조의 d0 양이온과 입체 화학적으로(stereochemically) 활성인 비공유 전자쌍을 갖는 양이온), 그리고 합성 공정 동안 빌딩 유닛(building unit)으로서 극성 변위(polar displacement)를 나타내는 d10 금속 양이온과 같은 비중심대칭성 발색단을 활용하는 것 등이다.Techniques known for developing new NLO materials include anion, second-order Jahn-Teller (SOJT) modified cations in a π-delocalized system (d 0 of a twisted octahedral structure Utilizing a non-centrosymmetric chromophore, such as a cation with stereochemically active, non-covalent electron pairs, and a d 10 metal cation that exhibits polar displacement as a building unit during the synthesis process .

이들 중에서, 금속 붕산염은 자외선이나 원자외선 NLO 물질로서 집중적으로 연구되고 있다. 특히, 붕산염 시스템에서 NLO 결정의 개발은 음이온성 군론(anionic group theory)에 기초하여 성공적으로 수행되고 있다. 이 때 전체적 결정의 비선형성은 NLO-활성 음이온성 군의 미시적 2차 민감도(second-order susceptibility)의 기하학적인 중첩(superposition)에 의해 얻어진다. 지금까지 알려진 중요한 UV-NLO 결정으로는, β-BaB2O4(BBO), LiB3O5(LBO), CsB3O5(CBO), CsLiB6O10(CLBO), YCa4O(BO3)3[YCOB] 등이 있다.Among them, metal borates are being intensively studied as ultraviolet or far ultraviolet NLO materials. In particular, the development of NLO crystals in borate systems has been successfully performed based on anionic group theory. The nonlinearity of the overall crystal is then obtained by the geometric superposition of the second-order susceptibility of the NLO-active anionic group. A major UV-NLO crystals, known so far, β-BaB 2 O 4 ( BBO), LiB 3 O 5 (LBO), CsB 3 O 5 (CBO), CsLiB 6 O 10 (CLBO), YCa 4 O (BO 3 ) 3 [YCOB].

원자외선-NLO 결정에서 가장 큰 돌파구는, 직접적인 SHG 응답 특성에 의한 200 nm 이하의 파장에서 간섭 광을 생성할 수 있는 유일한 물질인 KBe2BO3F2(KBBF)의 발견이었다. 적절한 SHG 계수를 갖고, 넓은 투과도 창을 가지며 적절한 복굴절 특성과 같은, KBBF의 우수한 NLO 특성은 분명히 그것의 구별되는 결정 구조에 의한 것이다. 카이랄성 구조(chiral structure) 내에서 [Be2O3F]로 나타내는 사면체 유닛들과 [BO3]로 나타내는 삼각형 평면 유닛들로 형성된 [Be2BO3F2] 층들은 동일 평면상의 배열에 적합하여, SHG 특성과 복굴절 특성을 향상시킨다. BO3 그룹에서의 3개의 마지막 산소 원자들과 Be 원자는 BO3 그룹에서 불포화 결합(dangling bond)의 형성을 방지하여, 그 결과 자외선 영역에서 매우 짧은 흡수끝(absorption edge)을 야기한다. 구조에서 기인한 KBBF의 우수한 NLO 특성에 의해서, 많은 연구자들은 유사하게 우수한 특성을 갖는 새로운 NLO 결정을 개발하고자 지속적으로 연구하고 있다.The largest breakthrough in the far ultraviolet-NLO crystal was the discovery of KBe 2 BO 3 F 2 (KBBF), the only material capable of generating interference light at wavelengths below 200 nm due to direct SHG response characteristics. The excellent NLO properties of KBBF, with appropriate SHG coefficients, wide transmission window and appropriate birefringence properties, are clearly due to its distinct crystal structure. [Be 2 BO 3 F 2 ] layers formed of triangular plane units represented by [BO 2 O 3 F] and [BO 3 ] in a chiral structure are arranged in the same plane , Thereby improving the SHG characteristics and birefringence characteristics. The last three oxygen atoms and Be atoms in the BO 3 group is to prevent the formation of unsaturated bonds (dangling bond) in the BO 3 groups, as a result, leads to a very short absorption edge in the ultraviolet region (absorption edge). Due to the excellent NLO properties of KBBF due to its structure, many researchers are continuing to develop new NLO crystals with similarly good properties.

KBBF 계열의 대표적인 화합물로는, ABe2B3O7(이때, A는 K 또는 Rb임), Na2CsBe6B5O15, NaSr3Be3B3O9F4, NaCaBe2B2O6F, Cs3Zn6B9O21 등이 있다. 그러나 이러한 구별되는 특성에도 불구하고, 그들의 층상 구조에 의해서 KBBF 계열의 거대 결정을 성장시키는 것은 매우 어렵다.Representative compounds of the KBBF family include ABe 2 B 3 O 7 wherein A is K or Rb, Na 2 CsBe 6 B 5 O 15 , NaSr 3 Be 3 B 3 O 9 F 4 , NaCaBe 2 B 2 O 6 F, and Cs 3 Zn 6 B 9 O 21 . Despite these distinguishing characteristics, however, it is very difficult to grow large crystals of the KBBF family by their layered structure.

본 발명의 일 목적은 높은 NLO 계수와 넓은 UV 투과율을 가짐으로써 강력한 2차 고조파 발생 효율을 갖는 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a polar non-center-symmetric borate-based crystal having a strong second-order harmonic generation efficiency by having a high NLO coefficient and a broad UV transmittance.

본 발명의 일 목적을 위한 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체는 구조식 Pb2BO3Cl로 나타내고, [Pb2BO3]+로 나타내는 원자단 양이온을 포함하는 [Pb2BO3]+층을 포함하며, 서로 마주하는 [Pb2BO3]+층들 사이에 염소 이온(Cl-)이 배치된 것을 특징으로 한다.Polar non-central symmetry for the work object of the present invention, borate-based crystals are represented by the structural formula Pb 2 BO 3 Cl, includes a [Pb 2 BO 3] + layer containing an atomic group cation represented by [Pb 2 BO 3] +, And a chlorine ion (Cl < - >) is disposed between the [Pb 2 BO 3 ] + layers facing each other.

일 실시예에서, [Pb2BO3]+층은 BO3 삼각 유닛 및 PbO3 삼각뿔로 이루어지고, ac-면에서 [Pb2BO3]+층은 허니컴 구조를 가질 수 있다. 이때, [Pb2BO3]+층의 BO3 삼각 유닛은 그의 꼭지점을 6개의 PbO3 삼각뿔과 공유할 수 있다.In one embodiment, the [Pb 2 BO 3 ] + layer is comprised of a BO 3 triangular unit and the PbO 3 triangular pyramid, and the ac-plane [Pb 2 BO 3 ] + layer may have a honeycomb structure. At this time, the BO 3 triangular unit of the [Pb 2 BO 3 ] + layer can share its vertex with the six PbO 3 triangular pyramids.

일 실시예에서, 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체는 결정 구조가 삼각 극성 비중심 대칭 공간군(trigonal polar NCS space group),P321 (No. 150)일 수 있다.In one embodiment, the polar non-center-symmetric borate-based crystals may have a crystal structure of trigonal polar NCS space group, P 321 (No. 150).

일 실시예에서, 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체는 500 nm 내지 2500 nm의 파장 영역에서 자외선-가시광선 흡수율이 80% 이상일 수 있다.In one embodiment, the polar non-center-symmetric borate-based crystals may have an ultraviolet-visible light absorption rate of 80% or greater at a wavelength range of 500 nm to 2500 nm.

일 실시예에서, 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체는 레이저 소자, 비선형 광학 소자, 압전 센서, 무선통신, 촉매, 전력 저장 수송 장치, 컴퓨터 소자 또는 양자간섭장치 중 어느 하나에 적용될 수 있다.In one embodiment, the polar non-center-symmetric borate-based crystals can be applied to any one of a laser device, a nonlinear optical device, a piezoelectric sensor, a wireless communication, a catalyst, a power storage transport device, a computer device or a quantum interference device.

본 발명의 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체에 따르면, 붕산염계 결정체는 납(Pb)과 염소(Cl)를 포함함으로써 높은 SHG 효과를 나타내는 동시에 투과도 창이 넓게 분포되며 큰 비선형 계수를 갖고, 적절한 복굴절 특성을 갖는다. 이에 따라, 본 발명의 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체는 광자(photonic) 응용에 있어서 유용하게 이용될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 본 발명의 극성 비중심대칭성 부산염계 결정체는 레이저 소자, 비선형 광학 소자, 압전 센서, 무선통신, 촉매, 전력 저장 수송 장치, 컴퓨터 소자 또는 양자간섭장치에 용이하게 적용될 수 있다.According to the polar non-center-symmetrical borate-based crystals of the present invention, borate-based crystals exhibit a high SHG effect due to the inclusion of lead (Pb) and chlorine (Cl), exhibit a wide distribution of transmittance, have a large nonlinear coefficient, . Accordingly, the polar non-center-symmetric borate-based crystals of the present invention can be usefully used in photonic applications. Using these characteristics, the polar non-center-symmetrical bushel of the present invention can be easily applied to a laser device, a nonlinear optical device, a piezoelectric sensor, a wireless communication device, a catalyst, a power storage transportation device, a computer device or a quantum interference device.

도 1은 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 열무게 분석, 시차 주사 열량분석 및 분말 XRD 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 광학 특성 및 비선형광학 특성 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 전체 상태 밀도 및 일부 상태 밀도(partial DOS, PDOS)의 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 구조 분석 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a view for explaining the structure of a polar non-center-symmetrical borate-based crystal according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of thermal analysis, differential scanning calorimetry, and powder XRD analysis of the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to the present invention.
3 is a graph showing the optical characteristics and nonlinear optical property evaluation results of the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to the present invention.
4 is a graph showing the total state density and partial state density (partial DOS, PDOS) of the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a structural analysis result of a polar non-center-symmetrical borate-based crystal according to the present invention. FIG.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprises" or "having ", etc. is intended to specify that there is a feature, step, operation, element, part or combination thereof described in the specification, , &Quot; an ", " an ", " an "

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

도 1은 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the structure of a polar non-center-symmetrical borate-based crystal according to the present invention.

도 1의 (a) 내지 (c)는 화합물의 구조를 공-막대 모형(ball-and-stick model)으로 도시한 것으로, 녹색공은 "납(Pb)"을, 오렌지색공은 "붕소(B)"를, 보라색은 "염소(Cl)"를, 노란색은 "포타슘(K)"을, 청색은 "베릴륨(Be)"을, 청녹색은 "플루오린(F)"를 나타내고, 적색은 "산소(O)"를 나타낸다.1 (a) to 1 (c) show the structure of a compound in a ball-and-stick model in which green balls represent "lead" and orange balls represent "boron (B) (Blue), "blue" means "fluorine (F)", and red means "oxygen (O)", purple means "chlorine (O) ".

도 1에서, (a)는 Pb2BO3Cl의 ac-면을 따라 절단한 구조를 나타내고, (b)는 KBBF(KBe2BO3F2)의 ac-면을 따라 절단한 구조를 나타내며, (c)는 Pb2BO3Cl의 ab-면에서 BO3 삼각 유닛이 그의 꼭짓점을 6개의 PbO3 삼각뿔과 공유하고 허니콤 구조의 [Pb2BO3]+층을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.1, (a) shows a structure obtained by cutting along the ac-plane of Pb 2 BO 3 Cl, (b) shows a structure obtained by cutting along the ac-plane of KBBF (KBe 2 BO 3 F 2 ) (c) shows that the BO 3 triangular unit on the ab-plane of Pb 2 BO 3 Cl shares its vertex with six PbO 3 triangular pyramids and forms a [Pb 2 BO 3 ] + layer of honeycomb structure.

도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체인 Pb2BO3Cl는 [Pb2BO3]+층과, 이러한 [Pb2BO3]+층들 사이의 공간에 배치된 염소 이온(Cl-)을 포함한다. [Pb2BO3]+층은 BO3 삼각 유닛과, PbO3 삼각뿔로 이루어진 [Pb2BO3]+로 나타내는 원자단 양이온으로 구성된 2차원 층상 구조체이다. Pb2BO3Cl은 삼각 극성 비중심 대칭 공간군(trigonal polar NCS space group), P321(No. 150)로 결정화된다.Referring to (a) of Figure 1, the Pb 2 BO 3 Cl is a polar non-central symmetry borate-based crystal according to the invention the space between the [Pb 2 BO 3] + layer, and such a [Pb 2 BO 3] + layers the chlorine ion in place (Cl -) include. The [Pb 2 BO 3 ] + layer is a two-dimensional layered structure composed of a BO 3 triangular unit and an atomic cations represented by [Pb 2 BO 3 ] + consisting of PbO 3 triangular pyramids. Pb 2 BO 3 Cl is crystallized into triangular polar non-center symmetric space group, P 321 (No. 150).

도 1의 (b)를 (a)와 함께 참조하면, 본 발명에 따른 KBBF 계열의 신규한 화합물로서 Pb2BO3Cl는 KBBF인 [K]+[Be2BO3F2]-과 구조적으로 분명한 차이가 있다.Referring to (b) of 1 with (a), as a novel compound of KBBF series according to the present invention, Pb 2 BO 3 Cl is KBBF of [K] + [Be 2 BO 3 F 2] - in the structural There is a clear difference.

본 발명에서는 원자단 양이온이 2차원 층상 구조의 [Pb2BO3]+층을 형성하고, [Pb2BO3]+층들 사이에 염소 이온(Cl-)이 배치된 구조를 가지면서 전하 균형(charge balance)을 이룬다. 반면, KBBF는 2차원 층상 구조가 [Be2BO3F2]-로 나타내는 원자단 음이온에 의해서 형성되고, 원자단 음이온에 의해서 형성되는 [Be2BO3F2]-층들 사이에 양이온인 포타슘 이온(K+)이 배치된 구조를 통해서 전하 균형을 이룬다.In the present invention, the atomic group cation is a two-dimensional layered structure [Pb 2 BO 3] + to form a layer, and [Pb 2 BO 3] + chloride ion between the layers (Cl -) the charge balance (charge while having an arrangement balance. On the other hand, KBBF is a two-dimensional layered structure [Be 2 BO 3 F 2] - which is formed by the atomic group anion, formed by the atomic group anion represented by [Be 2 BO 3 F 2] - the potassium ion cations between the layers ( K + ) are arranged in the structure.

즉, 본 발명의 [Pb2BO3]+층에서, 납 이온(Pb2+)의 비공유 전자쌍은 KBBF의 [Be2BO3F2]-층에서 플루오르화 이온(F-)을 대신하는 것으로 간주될 수 있다.That is, [Pb 2 BO 3] + lone pair in the layer, the lead ions (Pb 2+) is [Be 2 BO 3 F 2] of KBBF of the present invention as a substitute for-fluoride ion from the layer (F) Can be considered.

본 발명의 Pb2BO3Cl의 [Pb2BO3]+층 내부에서, 유일한 붕소 이온(B3+)이 BO3 평면 삼각 유닛의 3개의 산소 원자들과 배위(coordinated) 결합되고, 이때의 B-O 결합 길이는 1.370(17) Å이다. 3m 대칭의 자리에 배치된 납 이온 또한 삼각뿔 배위 환경 내의 3개의 산소 원자들과 결합되고, 이때의 Pb-O 결합 길이는 2.297(8) Å이다.In the [Pb 2 BO 3 ] + layer of Pb 2 BO 3 Cl of the present invention, the unique boron ion (B 3+ ) is coordinated to the three oxygen atoms of the BO 3 plane triangular unit, The BO bond length is 1.370 (17) Å. The lead ion located at the 3 m symmetric site is also bound to three oxygen atoms in the triangular pyramid coordination environment, at which the Pb-O bond length is 2.297 (8) Å.

도 1의 (c)를 참조하면, BO3 평면 삼각 유닛은 그들의 꼭짓점(corner)을 6개의 PbO3 삼각뿔과 공유하고, ab-면에서 허니컴 구조를 나타내는 [Pb2BO3]+층을 형성한다.Referring to FIG. 1 (c), the BO 3 planar triangular unit forms a [Pb 2 BO 3 ] + layer that shares the corners with six PbO 3 triangular pyramids and represents a honeycomb structure in the ab-plane .

구체적으로, PbO3 삼각뿔에서의 극성화된 비공유 전자쌍들의 협력적 상호 작용(cooperative interaction)과 [Pb2BO3]+층 내에서 서로 같은 방향으로 배향된 평행한 BO3 삼각 유닛들이 주로 높은 거시적 SHG 효과를 나타내는 주요 원인이 될 수 있다. BO3 평면 삼각 유닛의 3개의 불포화 결합(dangling bond)이 BO3 평면 삼각 유닛의 3개의 말단 산소 원자들과 납 원자 사이의 견고한 결합에 의해서 제거되어, 투명도를 넓히는데 유용할 수 있다.Specifically, the cooperative interaction of the polarized unpaired electron pairs in the PbO 3 triangular pyramid and the parallel BO 3 triangular units oriented in the same direction in the [Pb 2 BO 3 ] + layer are predominantly high macroscopic SHG It can be a major cause of the effect. The three dangling bonds of the BO 3 planar triangular unit can be removed by a rigid bond between the three terminal oxygen atoms of the BO 3 plane triangular unit and the lead atom, which can be useful for broadening transparency.

Pb2BO3Cl에서의 납 이온과 붕소 이온을 위한 결합 원자가 합(bond valence sums)은 각각 2.15와 3.00으로 계산된다.The bond valence sums for lead and boron ions in Pb 2 BO 3 Cl are calculated to be 2.15 and 3.00, respectively.

Pb2BO3Cl의 납-산소 및 염소-산소 사이의 결합 길이와 비교할 때, KBBF에서 베릴륨-산소 사이의 결합 길이가 1.636 Å이고 플루오린-산소 사이의 결합 길이가 2.596 Å으로 상대적으로 짧은데도 불구하고, 베릴륨-산소 사이와 플루오린-산소 사이의 원자 간의 상호작용이 실질적으로 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.Compared to the bond length between lead-oxygen and chlorine-oxygen in Pb 2 BO 3 Cl, the bond length between beryllium-oxygen in KBBF is 1.636 Å and the bond length between fluorine-oxygen is 2.596 Å, which is relatively short Nevertheless, it can be seen that there is practically no interaction between atoms between beryllium-oxygen and fluorine-oxygen.

본 발명의 Pb2BO3Cl 결정체에서 극성을 갖는 구성 성분들 전체적인 네트워크는 SHG 특성에 시너지를 더하고 매우 강하게 할 수 있다. Pb2BO3Cl에서의 [BO3]3-군의 공간적 밀도는 KBBF와 비교하여 상대적으로 작은 값을 갖고 있기는 하지만, 납 이온의 비공유 전자쌍과 염소 이온 사이의 상호작용의 시너지 효과와, 확장된 [Pb2(BO3)]+층 내에서의 납 이온과 [BO3]3-군 사이의 p-π 상호작용이 매우 큰 SHG 특성을 나타내도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 Pb2BO3Cl 결정체는 복굴절 특성이 높다.The overall network of polar components in the Pb 2 BO 3 Cl crystals of the present invention can add synergy to the SHG characteristics and make them very strong. Although the spatial density of [BO 3 ] 3 group in Pb 2 BO 3 Cl is relatively small compared to KBBF, the synergistic effect of the interaction between the unoccupied electron pair of lead ion and chlorine ion, The p-π interaction between lead ions in the [Pb 2 (BO 3 )] + layer and the [BO 3 ] 3 group can exhibit very high SHG characteristics. Further, the Pb 2 BO 3 Cl crystals of the present invention have high birefringence characteristics.

이와 같은 본 발명에 따른 높은 SHG 효과와 NLO 특성을 갖는 Pb2BO3Cl 결정체는 레이저 소자, 비선형 광학 소자, 압전 센서, 무선통신, 촉매, 전력 저장 수송 장치, 컴퓨터 소자 또는 양자간섭장치 등의 다양한 응용 분야에 이용될 수 있다.The Pb 2 BO 3 Cl crystals having the high SHG effect and the NLO characteristic according to the present invention can be used for various devices such as a laser device, a nonlinear optical device, a piezoelectric sensor, a wireless communication, a catalyst, a power storage transportation device, It can be used in applications.

이하에서는, 본 발명에 따른 Pb2BO3Cl 결정체의 특성 평가 및 구조 확인 실험과, 그 결과에 대해서 도 2 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the characteristics evaluation and structure confirmation experiment of Pb 2 BO 3 Cl crystals according to the present invention and the results thereof will be described in detail with reference to FIG. 2 to FIG. 5.

제조예 1: 단결정의 제조Production Example 1: Production of a single crystal

PbO(Alfa Aesar, 99.5%), PbCl2(Alfa Aesar, 99.9%) 및 H3BO3(Alfa Aesar, 99%)을 몰비(molar ratio) 3:1:2로 혼합한 혼합물을 분쇄하였고, 격리되고 밀봉된 용융 실리카 튜브 내에 배치시켰다.A mixture of PbO (Alfa Aesar, 99.5%), PbCl 2 (Alfa Aesar, 99.9%) and H 3 BO 3 (Alfa Aesar, 99%) in a molar ratio of 3: 1: And placed in a sealed fused silica tube.

먼저, 반응 혼합물이 수용된 밀봉된 튜브를 50℃/시간의 승온속도로 720℃까지 점차적으로 가열하였고, 투명하고 깨끗한 용융물이 될 때까지 24시간동안 유지하였다. 이어서, 상기 용융물을 3℃/시간의 냉각속도로 서서히 최종 결정화 온도인 650℃까지 냉각시켰다. 얻어진 생성 혼합물을 상온까지 냉각시킴으로써 무색의 투명한 결정(Pb2BO3Cl)을 얻었다.First, the sealed tube containing the reaction mixture was gradually heated to 720 占 폚 at a heating rate of 50 占 폚 / hour and maintained for 24 hours until it became a clear and clean melt. The melt was then slowly cooled to a final crystallization temperature of 650 占 폚 at a cooling rate of 3 占 폚 / hour. The resultant mixture was cooled to room temperature to obtain a colorless transparent crystal (Pb 2 BO 3 Cl).

제조예 2: 결정체의 제조Production Example 2: Preparation of crystals

PbO(Alfa Aesar, 99.5%), PbCl2(Alfa Aesar, 99.9%) 및 H3BO3(Alfa Aesar, 99%)을 이용하여 600℃에서 2일 동안 고상 반응(solid state reaction)을 수행하여, Pb2BO3Cl 결정체를 제조하였다. 제조된 결정체는 비중심대칭소재은행(Noncentrosymmetric Materials Bank, http://ncsmb.knrrc.or.kr)에 제출하였다.A solid state reaction was performed at 600 ° C for 2 days using PbO (Alfa Aesar, 99.5%), PbCl 2 (Alfa Aesar, 99.9%) and H 3 BO 3 (Alfa Aesar, 99% Pb 2 BO 3 Cl crystals were prepared. The crystals were submitted to the Noncentrosymmetric Materials Bank (http://ncsmb.knrrc.or.kr).

XRD 분석XRD analysis

상기와 같이 제조된 Pb2BO3Cl에 대해서, 상온에서 그라파이트 단색성(graphite monochromated) Mo Kα 방사선을 이용하는 1 K CCD 영역 검출기가 장착된 Bruker SMART BREEZE 회절 장치를 이용하여 단결정 X-선 회절 분석(Single crystal XRD) 분석을 수행하였다. 구조는 직접법(direct method)을 이용하여 풀고, SHELX-97을 사용하여 F2에 맞춘 전체 매트릭스 최소 자승(full-matrix least-squares)에 의해 정제하였다. 정제된 구조는 PLATON 프로그램으로부터 ADDSYM 알고리즘을 이용하여 확인하였고, 더 높은 대칭성들은 찾지 못했다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.The Pb 2 BO 3 Cl prepared as described above was analyzed by single crystal X-ray diffraction analysis using a Bruker SMART BREEZE diffractometer equipped with a 1 K CCD area detector using graphite monochromated Mo Kα radiation at room temperature Single crystal XRD) analysis was performed. The structure was solved using the direct method and purified by full matrix matrix least-squares fitting to F 2 using SHELX-97. The refined structure was confirmed from the PLATON program using the ADDSYM algorithm and no higher symmetries were found. The results are shown in Table 1 below.

또한, Pb2BO3Cl에 대해서 원자 배위 및 당량 등방적 변위(equivalent isotropic displacement) 파라미터(Ueq)를 하기 표 2에 나타낸다. 표 2에서의 aUeq는 직교화된(orthogonalized) Uij 센서의 궤적(trace)의 1/3로 정의한다.The atomic coordination and equivalent isotropic displacement parameters (U eq ) for Pb 2 BO 3 Cl are also shown in Table 2 below. A U eq in Table 2 defines 1/3 of the trajectory of the orthogonalized U ij sensor.

뿐만 아니라, Pb2BO3Cl의 선택된 결합 길이와 결합각에 대해서 하기 표 3에 나타낸다.In addition, the selected bond length and bonding angle of Pb 2 BO 3 Cl are shown in Table 3 below.

Figure 112016097063567-pat00001
Figure 112016097063567-pat00001

a R(F) = Σ||F o|??|F c||/Σ|F o| a R ( F ) = Σ || F o | F c || / Σ | F o |

b R w (F o 2)=[Σw(F o 2??F c 2)2w(F o 2)2]1/2 b R w ( F o 2 ) = [Σ w ( F o 2 ?? F c 2 ) 2 / Σ w ( F o 2 ) 2 ] 1/2

Figure 112016097063567-pat00002
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Figure 112016097063567-pat00003
Figure 112016097063567-pat00003

열적 특성 평가Evaluation of thermal properties

Pb2BO3Cl의 열적 거동(thermal behavior)를 평가하기 위해, 열무게 분석(thermogravimetric analysis, TGA), 시차(視差) 주사 열량 분석(differential scanning calorimetry, DSC) 및 분말 X-선 회절(PXRD) 분석을 수행하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다.Thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and powder X-ray diffraction (PXRD) were used to evaluate the thermal behavior of Pb 2 BO 3 Cl. Analysis was performed. The results are shown in Fig.

PXRD 데이터는 상온에서 40 kV 및 40 mA로 Cu Kα 방사선을 이용하여 Bruker New D8 Advance 회절 장치에서 수집하였다. Pb2BO3Cl을 샘플 홀더에 올려놓고, 0.05ㅀ의 스텝 크기와 0.2초의 스텝 시간의 조건으로 회절각(2θ) 범위 5 내지 70ㅀ에서 스캔하였다.PXRD data were collected on a Bruker New D8 Advance diffractometer using Cu Kα radiation at 40 kV and 40 mA at room temperature. Pb 2 BO 3 Cl was placed on a sample holder and scanned at a diffraction angle (2 慮) range of 5 to 70 조건 under conditions of a step size of 0.05 와 and a step time of 0.2 seconds.

Pb2BO3Cl을 NETZSCH STA 449C 동시 분석기를 이용하여 수행하였다. 기준 물질로 Al2O3를 사용하여 Pb2BO3Cl을 분리된 알루미나 도가니에 밀봉하여, 상온에서 750℃까지 10℃/분의 속도로 질소 가스를 일정하게 공급하는 조건 하에서 가열하였다. 열무게 분석 잔류물을 가시적으로 확인하고 가열한 후 분말 XRD에 의해서 분석하였다.Pb 2 BO 3 Cl was performed using a NETZSCH STA 449C simultaneous analyzer. Pb 2 BO 3 Cl was sealed in a separated alumina crucible using Al 2 O 3 as a reference material and heated under normal conditions of supplying nitrogen gas at a rate of 10 ° C / minute from room temperature to 750 ° C. Thermogravimetric analysis Residuals were visually identified and heated and analyzed by powder XRD.

도 2는 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 열무게 분석, 시차 주사 열량분석 및 분말 XRD 분석 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a graph showing the results of thermal analysis, differential scanning calorimetry, and powder XRD analysis of the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to the present invention.

도 2에서, (a)는 TGA 및 DSC 결과를 나타낸 그래프이고, (b)는 Pb2BO3Cl의 실험적 PXRD 패턴과 계산된 PXRD 패턴을 나타낸 그래프이다.In FIG. 2, (a) is a graph showing TGA and DSC results, and (b) is a graph showing an experimental PXRD pattern and a calculated PXRD pattern of Pb 2 BO 3 Cl.

도 2의 (a)를 참조하면, TGA 그래프(흑색 그래프)를 통해서 Pb2BO3Cl는 100℃에서부터 온도가 640℃까지 상승하더라도 중량에는 실질적인 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이를 통해서 적어도 640℃까지는 Pb2BO3Cl는 열에 의해서 거의 손상되지 않고 내열성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 2 (a), it can be seen that Pb 2 BO 3 Cl has no substantial change in weight even though the temperature is increased from 100 ° C. to 640 ° C. through a TGA graph (black graph). That is, it can be seen that Pb 2 BO 3 Cl is hardly damaged by heat up to at least 640 ° C. and has excellent heat resistance.

DSC 그래프(청색 그래프)를 통해서는 Pb2BO3Cl의 용융에 의해 630℃ 부근에서 1개의 흡열성 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 용융될 때까지 고온에서 Pb2BO3Cl의 휘발성에 의해서 TGA 그래프에서 거의 무시할만한 중량 손실이 일어났음을 예측할 수 있다.From the DSC graph (blue graph), it can be seen that one endothermic peak appears near 630 ° C due to the melting of Pb 2 BO 3 Cl. It can be predicted that the volatility of Pb 2 BO 3 Cl at high temperature until melting causes almost negligible weight loss in the TGA graph.

사실상 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, Pb2BO3Cl의 계산된 PXRD 패턴(적색 그래프), 용융 전(흑색 그래프)과 용융 후(청색 그래프)의 PXRD 패턴을 통해서, Pb2BO3Cl는 항상 상변화가 없이 합치 녹음(congruently melting) 특성을 갖는 것을 강하게 예측할 수 있다. 그러므로 Pb2BO3Cl의 크고 품질이 높은 단결정을 다양한 방식의 결정 성장 방법으로 제조할 수 있을 것을 기대할 수 있다.In fact, as shown in FIG.'S 2 (b), through the PXRD pattern of Pb 2 BO 3 Cl calculated PXRD pattern (red graph), melted in (black graphs) and melting after (blue graph) of, Pb 2 BO 3 Cl can strongly predict the congruently melting property without phase change at all times. Therefore, it can be expected that Pb 2 BO 3 Cl single crystal with high quality can be manufactured by various crystal growth methods.

광학 특성 평가Optical property evaluation

적외선 분광 특성 평가를 위해서, Pb2BO3Cl을 KBr 매트릭스에 도입하여 400 내지 4000 cm-1 범위 내에서 Thermo Scientific Nicolet 6700FT-IP 분광기를 이용하여 적외선 스펙트럼을 얻었다. 또한, 자외선-가시광선 확산 반사 스펙트럼 데이터는 상온에서 200 내지 250 nm 범위에서 Varian Cary 500 scan UV-vis-NIR 분광기를 이용하여 얻었다. 반사 스펙트럼은 하기 식 1로 나타내는 Kubelka-Munk 함수를 이용하여 흡수 데이터로 변환하였다. For evaluation of the infrared spectroscopic characteristics, Pb 2 BO 3 Cl was introduced into the KBr matrix and an infrared spectrum was obtained using a Thermo Scientific Nicolet 6700FT-IP spectrometer within the range of 400 to 4000 cm -1 . In addition, ultraviolet-visible light diffuse reflectance spectral data were obtained using a Varian Cary 500 scan UV-vis-NIR spectrometer at 200 to 250 nm at room temperature. The reflection spectrum was converted into absorbance data using the Kubelka-Munk function expressed by the following equation (1).

[식 1][Formula 1]

Figure 112016097063567-pat00004
Figure 112016097063567-pat00004

상기 식 1에서, K는 흡수도를 나타내고, R은 반사도를 나타내며, S는 산란도를 나타낸다. K/S와 에너지(E) 플롯에서 0으로 기울어진 위로 향하는 그래프의 직선 부를 추출하여 흡수도를 얻었다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.In the above formula (1), K represents the degree of absorption, R represents the reflectivity, and S represents the degree of scattering. Absorption was obtained by extracting the straight line portion of the upward graph sloping to zero in the K / S and energy (E) plot. The results are shown in Fig.

분말 SHG 특성은 1,064 nm 방사선의 modified Kurtz and Perry NLO system을 이용하여 측정하였고, 그 결과로서 Pb2BO3Cl의 상-매칭(phase-matching) 커브를 얻었다. 또한, 입자 크기가 150 내지 200 ㎛인 분말에 대한 SHG 신호의 오실로스코프(oscilloscope) 궤적(trace)을 나타낸 그래프를 얻었다.The powder SHG characteristics were measured using a modified Kurtz and Perry NLO system with 1,064 nm radiation, and as a result, a phase-matching curve of Pb 2 BO 3 Cl was obtained. Also, a graph showing an oscilloscope trace of the SHG signal for a powder having a particle size of 150 to 200 mu m was obtained.

도 3은 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 광학 특성 및 비선형광학 특성 평가 결과를 나타낸 도면이다.3 is a graph showing the optical characteristics and nonlinear optical property evaluation results of the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to the present invention.

도 3에서, (a)는 파장별 자외선-가시광선의 흡수도와, 에너지 변화에 따른 반사 스펙트럼(삽입된 그래프)을 나타낸 것이고, (b)는 SHG 강도와 Pb2BO3Cl 입자 크기(20~45, 45~63, 63~75, 75~90, 90~125, 125~150, 150~200, 200~250 ㎛) 사이의 그래프와, SHG 신호의 오실로스코프 궤적(삽입된 그래프)을 나타낸 것이며, (c)는 파장별 적외선 투과도를 나타낸 그래프이다.(B) shows the SHG intensity and the particle size of Pb 2 BO 3 Cl (20 to 45 nm). FIG. 3 (a) shows the absorption spectrum of ultraviolet- , 45 to 63, 63 to 75, 75 to 90, 90 to 125, 125 to 150, 150 to 200 and 200 to 250 μm) and an oscilloscope trajectory (inserted graph) of the SHG signal. and c) is a graph showing infrared transmittance according to wavelengths.

도 3의 (a)를 참조하면, 자외선-가시광선에서 0.30 ㎛에서 2.5 ㎛까지 흡수가 일어나지 않는 것을 확인할 수 있는데, 이는 Pb2BO3Cl은 근-자외선 영역에서부터 중간-적외선 영역까지 넓은 투명한 영역을 가짐을 나타낸다. Pb2BO3Cl의 측정된 자외선 흡수끝(absorption edge)은, 다른 납-보레이트 화합물들과 비교하여, 실질적으로 짧고, 이는 흡수끝의 청색 이동(blue-shift)을 효과적으로 야기할 수 있는 가벼운 할라이드 이온인 염소 이온이 도입되었기 때문으로 볼 수 있다. Pb2BO3Cl의 광학 밴드갭은 3.99 eV이다.3 (a), it can be seen that no absorption takes place from 0.30 μm to 2.5 μm in ultraviolet-visible light because Pb 2 BO 3 Cl is a broad transparent region from the near-ultraviolet region to the mid-infrared region . The measured ultraviolet absorption edge of Pb 2 BO 3 Cl is substantially short compared to other lead-borate compounds, which results in a light halide that can effectively cause a blue-shift of the absorption edge This is due to the introduction of chlorine ions. The optical bandgap of Pb 2 BO 3 Cl is 3.99 eV.

도 3의 (b)는 사이의 그래프를 나타내고, 작은 그래프는 시간-SHG 강도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. FIG. 3 (b) is a graph showing the relationship between the time-SHG intensity and a small graph.

도 3의 (b)를 참조하면, SHG 강도는 Pb2BO3Cl 입자 크기에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있고, 20~45㎛에서부터 150~200㎛까지는 입자 크기가 증가할수록 SHG 강도가 증가하는 것으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 Pb2BO3Cl는 KDP의 9배 정도의 매우 큰 SHG 응답 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, Pb2BO3Cl는 KBBF의 6배 정도의 SHG 응답 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 도 3의 (b)에 나타난 SHG 강도와 입자 크기 사이의 그래프는, Kurtz and Perry에 의해 제안된 법칙에 따른 타입 I 상-매칭 거동(type I phase-matching behavior)과 관련이 있다.Referring to FIG. 3 (b), it can be seen that the SHG intensity varies with the particle size of Pb 2 BO 3 Cl. From 20 to 45 μm to 150 to 200 μm, the SHG intensity increases as the particle size increases Can be seen. In particular, it can be confirmed that Pb 2 BO 3 Cl according to the present invention exhibits a very large SHG response characteristic of about 9 times KDP. It is also seen that Pb 2 BO 3 Cl exhibits an SHG response characteristic of about six times that of KBBF. The graph between SHG intensity and particle size shown in Figure 3 (b) relates to the type I phase-matching behavior according to the law proposed by Kurtz and Perry.

도 3의 (c)를 참조하면, 적외선 스펙트럼은 1,197 cm-1 부근과 600 내지 800 cm-1 사이에서 나타나는 띠(band)를 갖는 것을 알 수 있다. 1,197 cm-1 부근에서 나타나는 피크는 B-O 신축 진동(stretching vibration)에 의해서 나타나는 것으로 넓은 범위에 걸쳐서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 600 내지 800 cm-1 사이에서 나타나는 띠들은 742 cm-1, 728 cm-1 및 625 cm-1에서 나타나는 것을 확인할 수 있는데 이는 BO3 삼각 유닛의 굽힘(bending) 모드와 Pb-O의 신축 진동에 의해서 나타나는 것이다.Referring to FIG. 3 (c), it can be seen that the infrared spectrum has a band around 1,197 cm -1 and between 600 and 800 cm -1 . The peak appearing at around 1,197 cm -1 appears as a result of stretching vibration of BO, and it can be seen that it appears over a wide range. In addition, it can be seen that the bands appearing at between 600 and 800 cm -1 appear at 742 cm -1 , 728 cm -1 and 625 cm -1 because of the bending mode of the BO 3 triangular unit and the stretching of Pb-O It is caused by vibration.

SEM/EDX 분석 및 결과SEM / EDX analysis and results

Pb2BO3Cl에 대해서, SEM/EDX(scanning electron microscope/energy-dispersive analysis by X-ray) 분석을 수행하였다. 이를 위해, Hitachi S-3400N/Horiba Energy EX-250 장치를 이용하였다.Pb 2 BO 3 Cl was analyzed by SEM / EDX (scanning electron microscope / energy-dispersive analysis by X-ray). For this purpose, Hitachi S-3400N / Horiba Energy EX-250 device was used.

그 결과, Pb2BO3Cl에서 납 원자와 염소 원자의 비율은 2.1:1.0인 것으로 나타난 것을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the ratio of lead atom to chlorine atom in Pb 2 BO 3 Cl was 2.1: 1.0.

구조 분석-1Structural Analysis-1

Pb2BO3Cl에 대해서, 밀도 함수 이론(density functional theory, DFT) 계산을 TB-LMTO-ASA(Stuttgart TB-LMTO47 program with the atomic sphere approximation) 방법을 이용하여 수행하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다.For Pb 2 BO 3 Cl, the density functional theory (DFT) calculation was performed using the TB-LMTO-ASA (Stuttgart TB-LMTO 47 program with the atomic sphere approximation) method. The results are shown in Fig.

도 4는 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 전체 상태 밀도 및 일부 상태 밀도(partial DOS, PDOS)의 그래프를 나타낸 도면이다.4 is a graph showing the total state density and partial state density (partial DOS, PDOS) of the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to the present invention.

도 4에서, (a)는 Pb2BO3Cl의 전체 상태 밀도(Total density of states, TDOS)를 나타내고, (b)는 Pb2BO3Cl의 일부 상태 밀도(partial DOS, PDOS)를 나타내되, 붕소, 산소, 납 및 염소 원자 각각에 대한 것이다. 세로 방향의 점선은 에너지 기준(0 eV)으로서 EF를 나타낸다.In Figure 4, (a) denotes a Pb 2 BO 3 Cl total state density (Total density of states, TDOS) of, (b) will represent a part of the state density of the Pb 2 BO 3 Cl (partial DOS , PDOS) , Boron, oxygen, lead and chlorine atoms, respectively. The dotted line in the vertical direction indicates E F as an energy reference (0 eV).

도 4를 참조하면, 띠 구조 계산은 Pb2BO3Cl의 밴드 갭이 2.32 eV로 예상되고, 실험 결과보다 현저히 작은 값을 나타낸다. DFT를 이용한 전자 띠구조 계산은 갭 에너지를 과소평가하는 경향이 있음이 여러 문헌들에 잘 알려져 있다. 그러나 이러한 띠 구조 계산은 중요한 오비탈 상호작용을 위치시키는데 매우 도움이 된다.Referring to FIG. 4, the bandgap of Pb 2 BO 3 Cl is expected to be 2.32 eV, which is significantly smaller than the experimental result. It is well known in the literature that the electron band structure calculation using DFT tends to underestimate the gap energy. However, this band structure calculation is very helpful in locating important orbital interactions.

도 4의 (a)에서 나타나는 TDOS 그래프는 전체 에너지 범위에 걸친 4개 원소들의 전체적인 오비탈 혼합을 보여준다. 페르미 레벨(EF) 이하의 원자가 띠(valence band, VB) 영역은 원자 오비탈 분포에 기초하여 5개의 작은 섹션들로 나누어질 수 있다. 특히, 원자가 띠 영역에서 가장 큰 오비탈 분포는 삼각형 평면 형태를 갖는 [BO3]3- 모이어티(moiety)이고, 이로부터 낮아진다. -9.5 eV 내지 -8.0 eV 사이의 가장 낮은 섹션(섹션 1)은 중심의 붕소(B)의 s 상태와, 납(Pb)의 s 상태의 어떤 영역과 σ-상호작용을 형성하는 3개의 산소(O)들로 둘러싸인 p y 군 오비탈에 의해 영향을 받아 나타난다. -7.8 eV 내지 -7 eV 사이의 섹션(섹션 2)은 대부분 붕소(B)의 p x , p y 상태와 3개의 산소(O)의 p y 군 오비탈에 의한 것이며, 납(Pb)의 s 상태와 함께 σ-상호작용에 기여한다. 또한, -7 eV 내지 -4 eV 사이의 섹션(섹션 3)은 붕소(B)와 산소(O)의 군 오비탈, 특히 [BO3]3-군의 π-상호작용에 의해 둘러싸인 산소(O), 모두의 p z 상태에 의해 영향에 의한 것이다. -3.5 eV 내지 -1 eV 사이의 섹션(섹션 4)은 붕소(B)의 p x , p y 상태와 산소(O)의 군 오비탈의 큰 p x 상태에 의해 영향을 받되, 이들은 그들 사이에서 납(Pb)과 염소(Cl) 모두의 p 상태와 함게 거의 비결합(nonbonding) 상호작용을 형성한다.The TDOS graph shown in Figure 4 (a) shows the overall orbital mixing of the four elements over the entire energy range. The valence band (VB) region below the Fermi level (E F ) can be divided into five small sections based on the atomic orbital distribution. In particular, the largest orbital distribution in the valence band region is the [BO 3 ] 3 -moiety, which has a triangular planar shape, from which it is lowered. The lowest section (section 1), between -9.5 eV and -8.0 eV, consists of the s-state of the central boron (B) and the three states O) surrounded by the p y group orbitals. The section (section 2) between -7.8 eV and -7 eV is mostly due to the p x , p y state of boron (B) and the p y group orbitals of three oxygen (O) Lt; RTI ID = 0.0 > sigma-interaction. ≪ / RTI > In addition, oxygen (O), surrounded by a section (section 3) is the group orbitals, especially [BO 3] π- interaction of 3-group of boron (B), and oxygen (O) between -7 to -4 eV eV , Due to the p z state of all. The section between -3.5 eV and -1 eV (Section 4) is affected by the p x , p y states of boron (B) and the large p x states of the group orbitals of oxygen (O) all of (Pb) and chloride (Cl) p And form almost nonbonding interactions with the states.

-1 eV 내지 페르미 레벨(EF) 사이의 섹션(섹션 5)은 대부분 염소(Cl)의 p 상태에 의해 영향을 받는다. 흥미롭게도, 납(Pb)과 염소(Cl)의 PDOS 분석에 따르면, 납(Pb)의 s 상태는 섹션 1과 섹션 2에 기여하고, 붕소(B)와 [BO3]3-군의 산소(O)는 σ-상호작용을 형성한다. 또한, 납(Pb)의 p 상태는 섹션 3과 중첩하고, 붕소(B)와 산소(O) 모두의 p z 상태는 [BO3]3-군에서 π-상호작용을 구축한다.The section (Section 5) between -1 eV and Fermi level (E F ) is mostly p It is affected by the state. Interestingly, the lead (Pb) and, according to PDOS analysis of chlorine (Cl), the state s of the lead (Pb) is contributing to the section 1 and section 2, and boron (B), and [BO 3] of the three-oxygen groups ( O) form sigma-interactions. Further, when p The state overlaps Section 3, and the p z states of both boron (B) and oxygen (O) establish a pi-interaction in the [BO 3 ] 3 -group.

구조 분석-2Structural Analysis-2

Pb2BO3Cl에 대해서, ab-면을 따른 단면을 나타낸 ELF(electron localized function) 다이어그램을 얻었다. 또한, b-축 방향으로 수직하게 절단한 단면을 나타낸 ELF 다이어그램을 얻었으며, KBBF의 [0 -1 1]을 따른 단면을 나타낸 ELF 다이어그램을 얻었다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.For Pb 2 BO 3 Cl, an electron localized function (ELF) diagram showing the cross-section along the ab-plane was obtained. Also, an ELF diagram showing a cross section perpendicular to the b-axis direction was obtained, and an ELF diagram showing a cross section along KBBF [0 -1 1] was obtained. The results are shown in Fig.

도 5는 본 발명에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체의 구조 분석 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing a structural analysis result of a polar non-center-symmetrical borate-based crystal according to the present invention. FIG.

도 5에서, (a)는 ab-면의 Z=0인 경우이고, (b)는 ab-면의 Z=0.112인 경우이며, (c)는 b-축 방향의 y=0.137인 경우, (d)는 b-축 방향의 y=0.274인 경우를 나타낸다. 또한, 도 5의 (e)는 KBBF의 ELF 다이어그램이다.If in Fig. 5, (a) is a case of Z = 0 in the ab- surface, (b) is a case of Z = 0.112 in the ab- surface, (c) is of y = 0.137 in the b- axis direction, ( d) represents the case of y = 0.274 in the b-axis direction. 5 (e) is an ELF diagram of KBBF.

도 5의 (a)를 참조하면, ab-면에서 [BO3]3-군 내의 원자 간의 상호작용, 그리고 [BO3]3-군 사이, 납(Pb) 및 ab-면과 ac-면 내에서의 염소(Cl) 모두가 ELF 다이어그램을 통해서 명확하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 (a), the atomic interactions within the [BO 3 ] 3 group in the ab-plane and the interactions between the [BO 3 ] 3 -group, lead (Pb) and ab- All of the chlorine (Cl) in the sample is clearly shown in the ELF diagram.

도 5의 (b)를 (a)와 함께 참조하면, Z=0인 경우와 Z=0.112인 경우에 (0 0 1) 단면으로 나타나는 구조를 통해서, ab-면에서 [BO3]3-군과 납(Pb) 사이의 원자 간의 상호작용을 확인할 수 있다. 특히, (0 0 0.112) 면에서 [BO3]3-군의 2차원 층상들과 납(Pb)이 위치하여, [BO3]3-군의 산소(O)를 향하는 납(Pb)으로부터 전자 밀도들이 잘 나타난 것을 확인할 수 있다. 좀 더 흥미롭게도, [BO3]3-군과 납(Pb) 사이의 원자 간의 상호작용은 b-축에 수직하게 절단한 단면에서도 매우 잘 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 (b) with reference to FIG. 5 (a), the [BO 3 ] 3- group in the ab-plane through the structure represented by the (0 0 1) section in the case of Z = 0 and Z = And lead (Pb) can be confirmed. In particular, in terms of (0 0 0.112) [BO 3 ] by the two-dimensional layer of the 3-group and lead (Pb) is positioned, [BO 3] E from lead (Pb), toward the oxygen (O) of a three-group It can be seen that the densities appeared well. More interestingly, it can be seen that the interactions between the atoms between [BO 3 ] 3- group and lead (Pb) are very good even in the section perpendicular to the b-axis.

도 5의 (c)를 참조하면, [BO3]3-군에서 2개의 산소(O)가 배치된 y=0.137인 평면에서는, 확장된 2차원 층상을 형성하는 [BO3]3-군과 납(Pb) 사이의 원자 간의 상호 작용이 명백하게 나타난다. 또한 도 4의 (b)의 PDOS 그래프에서도 봤듯이 PDOS의 섹션 4에 영향을 주는 산소(O)의 비결합 상태들과 납(Pb)의 p 상태는 이러한 종류의 상호작용에 의해 나타나는 것이다.Referring to (c) of 5, [BO 3], the two oxygen (O) is in the plane y = 0.137 placed in a three-group, forming an extended two-dimensional layered [BO 3] 3- group and Interaction between the atoms between lead (Pb) is evident. Also, as shown in the PDOS graph of FIG. 4 (b), the unconjugated states of oxygen (O) and the p state of lead (Pb) affecting section 4 of PDOS are represented by this kind of interaction.

도 5의 (d)를 참조하면, 산소(O)와 납(Pb) 사이의 중간 지점에 위치하는 y=0.274인 또 다른 단면에서, 상대적으로 약하지만 c-축 방향을 따라 납(Pb)과 염소(Cl) 사이에 명확하게 원자 간의 상호작용이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5 (d), at another cross-section at y = 0.274 located midway between oxygen (O) and lead (Pb), lead (Pb) and It can be seen that the interatomic interaction clearly appears between chlorine (Cl).

이와 같은 결과를 통해서, ab-면에서 납 이온(Pb2+)을 통한 [BO3]3-군의 내부결합(interconnection)은 도 5의 (c)에서 나타나는 바와 같이 확장된 2차원 층상을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 비교를 위해서, KBBF를 (1 -1 0)의 단면으로 ELF 다이어그램을 확인한 결과, 도 5의 (e)에서 나타나는 바와 같이, 포타슘(K)과 산소(O) 사이에 어떤 특별한 상호작용도 존재하지 않을 확인할 수 있고, 그 결과 확장된 원자 간의 거리가 4.036 Å인 것을 확인할 수 있다.As a result, the interconnection of the [BO 3 ] 3 group via the lead ion (Pb 2+ ) in the ab-plane forms an extended two-dimensional layer as shown in FIG. 5 (c) . For comparison, KBFF was checked for the ELF diagram with a cross-section of (1 -1 0). As shown in Figure 5 (e), there is no specific interaction between potassium (K) and oxygen (O) It can be confirmed that the distance between the extended atoms is 4.036 Å.

Pb2BO3Cl의 납-산소 및 염소-산소 사이의 결합 길이와 비교할 때, KBBF에서 베릴륨-산소 사이의 결합 길이가 1.636 Å이고 플루오린-산소 사이의 결합 길이가 2.596 Å으로 상대적으로 짧은데도 불구하고, 베릴륨-산소 사이와 플루오린-산소 사이의 원자 간의 상호작용이 실질적으로 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.Compared to the bond length between lead-oxygen and chlorine-oxygen in Pb 2 BO 3 Cl, the bond length between beryllium-oxygen in KBBF is 1.636 Å and the bond length between fluorine-oxygen is 2.596 Å, which is relatively short Nevertheless, it can be seen that there is practically no interaction between atoms between beryllium-oxygen and fluorine-oxygen.

따라서 Pb2BO3Cl 결정체에서 극성을 갖는 구성 성분들 전체적인 네트워크는 SHG 특성에 시너지를 더하고 매우 강하게 할 수 있다. Pb2BO3Cl에서의 [BO3]3-군의 공간적 밀도는 0.00742(per unit volume)로써 KBBF가 0.00946(per unit volume)과 비교하여 상대적으로 작은 값을 갖고 있기는 하지만, 납 이온의 비공유 전자쌍과 염소 이온 사이의 상호작용의 시너지 효과와, 확장된 [Pb2(BO3)]+ 층 내에서의 납 이온과 [BO3]3-군 사이의 p-π 상호작용이 매우 큰 SHG 특성을 나타내는 것으로 유추할 수 있다.Therefore, the overall network of components with polarity in Pb 2 BO 3 Cl crystals can add synergy to the SHG characteristics and make them very strong. The spatial density of the [BO 3 ] 3 group in Pb 2 BO 3 Cl is 0.00742 (per unit volume). KBBF has a relatively small value compared to 0.00946 (per unit volume) The synergistic effect of the interaction between the electron pair and the chlorine ion and the SHG property with a very high p-π interaction between the [BO 3 ] 3 group and the lead ion in the extended [Pb 2 (BO 3 )] + layer . ≪ / RTI >

선형광학 특성은 반사율 분포 곡선을 통해서 확인할 수 있는데, 본 발명에 따른 Pb2BO3Cl 결정체는 강한 이방성(anisotropy)을 갖고, n0가 ne보다 크게 나타나는 것을 통해서 Pb2BO3Cl 결정체가 부의 단축성 결정체(uniaxial negative crystal)인 것을 알 수 있다.Linear optical properties may determine through the reflectance distribution curve, Pb 2 BO 3 Cl crystals according to the invention have a strong anisotropy (anisotropy), n 0 is n e through than that greatly appears Pb 2 BO 3 Cl crystal is negative. It can be seen that this is a uniaxial negative crystal.

복굴절 특성(Δn)은 1,064 nm에서 0.12로 상대적으로 크게 나타나므로, SHG 과정에서 상-매칭이 잘 일어난다. KBBF와 Pb2BO3Cl 결정체를 비교할 때, 납 이온에 의해서 향상된 복굴절 특성은, 실험 결과를 통해서도 확인했듯이, 강한 전자적 이방성 극성과 높은 SHG 효율을 유발한다. Pb2BO3Cl 결정체가 Kleinman 대칭의 법칙에서 class 32에 속하기 때문에, 독립적인 SHG 텐서 성분들(d 11)의 집합만이 남는다. Pb2BO3Cl 결정체의 계산된 주파수-의존 SHG 텐서 성분(d 11)의 값은 1,064 nm(1.165 eV)에서 7.2 pm/V이다.Since the birefringence characteristic (Δn) is relatively large at 0.164 nm at 0.12 nm, phase matching occurs well in the SHG process. Compared with KBBF and Pb 2 BO 3 Cl crystals, the enhanced birefringence properties of lead ions lead to strong electronic anisotropic polarity and high SHG efficiency, as confirmed by experimental results. Since the Pb 2 BO 3 Cl crystals belong to class 32 in the Kleinman symmetry rule, only the set of independent SHG tensor components ( d 11 ) remains. The value of the calculated frequency-dependent SHG tensor component ( d 11 ) of the Pb 2 BO 3 Cl crystal is 7.2 pm / V at 1,064 nm (1.165 eV).

상기에서 설명한 바에 따르면, 새로운 NLO 물질인 Pb2BO3Cl는 분자 엔지니어링 디자인 접근을 통해서 합성된다. NLO 물질은 KBBF계 화합물 중에서도 가장 큰SHG 응답 특성을 나타내는 KDP와 비교하여 약 9배 정도의 현저하게 강한 SHG 응답 특성을 나타낸다. 또한, Pb2BO3Cl는 큰 비선형 계수를 갖고, 적절한 복굴절 특성을 가지며, 넓은 투과도 창을 갖는데, 이는 Pb2BO3Cl이 광자(photonic) 응용에 있어서 높은 성과의 NLO 물질로서 우수한 잠재력을 가질 수 있다는 것을 의미한다.As described above, the new NLO material, Pb 2 BO 3 Cl, is synthesized through a molecular engineering design approach. The NLO material exhibits a remarkably strong SHG response characteristic of about 9 times as compared with KDP which exhibits the largest SHG response characteristic among KBBF compounds. In addition, Pb 2 BO 3 Cl has a large nonlinear coefficient, suitable birefringence characteristics, and a wide transmittance window because Pb 2 BO 3 Cl has excellent potential as a high performance NLO material in photonic applications .

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.

Claims (6)

구조식 Pb2BO3Cl로 나타내고,
[Pb2BO3]+로 나타내는 원자단 양이온을 포함하는 [Pb2BO3]+층을 포함하며,
서로 마주하는 [Pb2BO3]+층들 사이에 염소 이온(Cl-)이 배치된 구조를 갖는 결정체로서,
500 nm 내지 2500 nm의 파장 영역에서 자외선-가시광선 흡수율이 80% 이상인 것을 특징으로 하는,
극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체.
Represented by the formula Pb 2 BO 3 Cl,
[Pb 2 BO 3] includes [Pb 2 BO 3] + layer containing an atomic group represented by the cation +,
As a crystal having a structure in which chlorine ions (Cl < - >) are arranged between [Pb 2 BO 3 ] + layers facing each other,
Characterized in that the ultraviolet-visible light absorption rate is 80% or more in a wavelength range of 500 nm to 2500 nm.
Polarity non-center-symmetric borate-based crystals.
제1항에 있어서,
[Pb2BO3]+층은 BO3 삼각 유닛 및 PbO3 삼각뿔로 이루어지고,
ac-면에서 [Pb2BO3]+층은 허니컴 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체.
The method according to claim 1,
The [Pb 2 BO 3 ] + layer consists of a BO 3 triangular unit and a PbO 3 triangular pyramid,
and the [Pb 2 BO 3 ] + layer in the ac plane has a honeycomb structure.
Polarity non-center-symmetric borate-based crystals.
제2항에 있어서,
[Pb2BO3]+층의 BO3 삼각 유닛은 그의 꼭지점을 6개의 PbO3 삼각뿔과 공유하는 것을 특징으로 하는,
극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체.
3. The method of claim 2,
The BO 3 triangular unit of the [Pb 2 BO 3 ] + layer shares its vertex with six PbO 3 triangular pyramids.
Polarity non-center-symmetric borate-based crystals.
제1항에 있어서,
결정 구조가 삼각 극성 비중심 대칭 공간군(trigonal polar NCS space group), P321 (No. 150)인 것을 특징으로 하는,
극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체.
The method according to claim 1,
Characterized in that the crystal structure is a triangular polar non-center symmetric space group, P 321 (No. 150).
Polarity non-center-symmetric borate-based crystals.
삭제delete 제1항에 따른 극성 비중심대칭성 붕산염계 결정체가 레이저 소자, 비선형 광학 소자, 압전 센서, 무선통신, 촉매, 전력 저장 수송 장치, 컴퓨터 소자 또는 양자간섭장치 중 어느 하나에 적용된 것을 특징으로 하는,
제품.
Characterized in that the polar non-center-symmetrical borate-based crystals according to claim 1 are applied to any one of a laser device, a nonlinear optical device, a piezoelectric sensor, a radio communication, a catalyst, a power storage transport device, a computer element or a quantum interference device.
product.
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