中科院新疆理化所在大双折射率增益研究方面获进展

当一束光波投射到晶体界面上，一般会产生两束折射光，这种现象称之为双折射。晶体的双折射率是光电材料的重要光学性能参数，双折射晶体用途广泛，主要应用于光学通讯、光学器件以及激光加工业等。因此，对大双折射材料和优良双折射基团的探索一直是国际上研究的难点和热点。决定晶体双折射性能的主要因素是阴离子框架和阳离子多面体。对于无立构活性的碱金属、碱土金属而言，阴离子框架是决定晶体双折射性能的重要因素。然而，阳离子尤其是含有立构活性的阳离子对晶体双折射性能也会产生重要影响。目前，Pb²⁺，Sn²⁺的孤对电子的立构活性对双折射的影响还只停留于理论计算层面，并且未见实验方面证实Sn²⁺的孤对电子对双折射大幅增益的报道。

最近，中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境材料与器件重点实验室研究员潘世烈带领的团队一直致力于探索大双折射材料及产生大双折射率的来源机制，通过对首例Sn²⁺的硼酸盐氯化物Sn₂B₅O₉Cl和同构碱土金属硼酸盐的双折射率测试研究，首次从实验上证明拥有立构活性的Sn²⁺能够激发双折射率的大幅增益。团队研究人员在密闭体系下得到了Sn₂B₅O₉Cl晶体（1 × 1 × 0.5 mm³），并且通过顶部籽晶法得到同构的Ba₂B₅O₉Cl晶体（5 × 4 × 1.0 mm³），借助偏光显微镜和宝石折射率仪测量了晶体的双折射率。实验数据和理论计算结果都显示出Sn₂B₅O₉Cl拥有超大的双折射率（0.168@546 nm），其双折射率更是同构化合物Ba₂B₅O₉Cl的16.8倍（0.010@546 nm）。

研究人员结合理论计算和结构对比分析双折射率大幅增益的来源。Sn₂B₅O₉Cl大的双折射率主要来源于高度畸变的锡氧氯多面体以及畸变BO₃基团的贡献，然而这些畸变在同构化合物Ba₂B₅O₉Cl是不存在的。通过实空间原子切割的方法进一步说明了大双折射率的增益是来源于立构活性的锡氧氯多面体。

为了进一步证明Sn²⁺能激发双折射率大幅增益，研究人员基于理论计算研究分析了β-SnB₄O₇以及同构的β-CaB₄O₇，SrB₄O₇的双折射性能，并且发现β-SnB₄O₇的双折射率约是同构碱土金属硼酸盐的30倍，这进一步证实了碱土金属阳离子—Sn²⁺的替代可以激发双折射率大幅增益。更重要的，碱土金属阳离子—Sn²⁺的替代不仅可以获得双折射率的大幅增益，还为未来探索大双折射率材料提供了新的思路。

该系列研究成果以Very Important Papwer发表在Wiley公司出版的《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed., 2019,DOI: 10.1002/anie.201911187)。该研究工作得到国家基金委、国家科技部和中科院等的资助。

文章链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911187