结构匹配度调控策略实现商用AGS材料性能大幅提升

红外（IR）非线性光学材料（NLO）虽在长距离激光通讯、红外对抗、光通讯及光电设备等领域得到了广泛应用，但由于其数量匮乏，不能满足日益增长的应用需求。目前只有三个商用材料，分别是AgGaS₂ (AGS), AgGaSe₂和ZnGeP₂, 其中AGS性能最优，品质因子最大；但该材料带隙较小（2.58 eV），激光损伤阈值低，器件寿命短。因此如何提升AGS的激光损伤阈值和综合性能是该领域的一个难点和热点，具有重要的科学意义和应用价值。

为提升AGS的带隙和激光损伤阈值，前人尝试通过等电荷，不含d电子的Li代替Ag，获得了LiGaS₂化合物。的确LGS带隙明显比AGS大，且激光损伤阈值有大幅提升。然而，由于两者半径的差异，LiGaS₂晶体结构从AGS的四方高对称性降低到了正交的低对称性结构，这使得LGS的二阶非线性系数大大降低（LGS-d₃₆ = 5.8 pm V^-1 vs AGS-d₃₆ = 15.9 pm V^-1）。

近日金沙威尼斯欢乐娱人城吴立明课题组、陈玲课题组首次通过部分Li取代Ag的方案合成得到了一系列化合物Li_xAg_1-xGaS₂(0 < x <1.0)，通过单晶数据的精确分析，他们发现Li掺杂化合物能在很大的组分范围内（0-0.6）保持AGS四方晶体结构高对称性，这打破了长期以来的常规认识。对保持高对称性结构中Li最大掺杂比例材料Li_0.60Ag_0.40GaS₂的研究表明，该材料透过截止边达到365 nm（比AGS的截止边缩短了180 nm）、大幅拓宽了AGS材料的应用波段范围；同时其激光损伤阈值得到大幅提升，达AGS的8.60倍。

进一步研究意外地发现Li_0.60Ag_0.40GaS₂体系倍频效应强度能达到AGS的1.10倍。通过深入结构分析和第一性原理研究表明，Li离子对Ag离子的取代一方面能优化费米能级周围的能带结构，增大了材料带隙；同时，Li原子的引入有效地降低了AGS结构中密堆积硫原子的失配度（最大降低了30%）。由于位错的不断减小使得Li_xAg_1-xGaS₂结构更接近高对称性的ZnS型结构。由于结构匹配度的提升，Li_0.60Ag_0.40GaS₂中阴离子基团间协调性增强，最终导致化合物的二阶非线性光学系数增大。该研究首次实现商用非线性光学材料AGS材料二阶倍频系数和激光损伤阈值的同时增长，具有重要的意义，同时对其他相关材料体系的研发也有重要的启示作用。

该工作近期被《德国应用化学》杂志Angewandte Chemie International Edition接收(Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201903976；Angew. Chem. 10.1002/ ange.201903976），（影响因子：12.102）并入选VIP文章（仅有5%的文章入选），被评价为“the work made a significant contribution to the improvement of IR NLO material field.”该研究被Angewandte Chemie旗下x-mol作为亮点推介。

金沙威尼斯欢乐娱人城作为唯一单位。金沙威尼斯欢乐娱人城硕士生周慧敏为论文第一作者，金沙威尼斯欢乐娱人城博士生熊琳，作为第二作者。本研究申请发明专利一项201910127231.1，发明人：吴立明，周慧敏，陈玲；专利权人：金沙威尼斯欢乐娱人城。