在化學合成與設計中, 潛在結構的多樣性是探索新化合物, 功能材料的基礎, 但對於靶向設計具有特定性能的功能材料來說卻是一個巨大的挑戰. 然而, 隨著科技的發展, 高性能集群的計算能力得到了大幅提升. 這使得從龐大的資料庫中篩選出性能優良的功能材料——高通量篩選, 從第一性原理出發搜索全局勢能最低結構——晶體結構預測, 通過學習已有的結構特點創造出新結構等這些新型的探索材料的方法成為可能. 中國科學院新疆理化技術研究所新型光電功能材料實驗室潘世烈團隊自2011年開始進行材料軟體研發, 材料設計, 第一性原理計算和預測研究, 為新材料製備提供方向.
最近幾年, 該研究團隊在晶體結構預測及理性設計功能材料方面取得了一定的進展. 研究工作者首次引入全局能量最低結構搜尋方法實現了紅外非線性光學材料和紫外非線性光學材料的結構預測. 在紅外非線性光學材料中, 在滿足光學應用要求前提下提高雷射損傷閾值是關鍵所在, 研究工作者首次引入全局能量最低結構搜尋方法在 Na-Ga-S體系中搜尋性能優異的紅外非線性光學材料. 結構表明, I-42d空間群的NaGaS 2不僅具有與商業化材料AgGaS 2相當的非線性光學係數, 而且具有在紅外非線性光學材料中最高的熱導率, 因而有利於高雷射損傷閾值. 因此, NaGaS 2有效地提高了雷射損傷閾值和避免了因雙光子吸收產生的熱效應. 上述成果已發表在美國化學學會期刊《無機化學》上 (Inorg. Chem. 2018, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b01174) . 在紫外非線性光學材料中, 設計滿足深紫外非線性光學材料要求並且能輸出相干深紫外光是一個具有挑戰性的課題. 研究工作者在Na-Be-B-O體系中搜尋常壓下穩定結構發現在勢能最低的四個相中, P-6 相的 NaBeBO 3具有優秀的非線性光學性質. 深紫外截止邊可達171nm, 倍頻效應與商業標準 KDP(KH 2PO 4) 的相當, 且相位匹配可到深紫外區; 上述成果發表在《科學報告》上 (Sci. Rep. 2016, 6, 34839) . 進一步, 該團隊通過引入氟元素加大帶隙藍移紫外截止邊, 還可使電子非對稱分布有利於非線性光學性能的提高, 豐富結構有利於增加非心化合物的發現幾率. 基於以上特點, 在Be-B-O-F體系中在常壓下搜尋到了性能優異的深紫外非線性光學材料 γ-Be 2BO 3F, 其深紫外截止邊低至138nm, 倍頻效為1.8倍 KDP, 深紫外相位匹配波長達到了152nm, 成為深紫外區具有潛在應用的非線性光學晶體; 相關成果發表在美國化學學會期刊《無機化學》上 (Inorg. Chem. 2018, 57, 5716) .
最近, 該團隊在理性設計方面取得突破, 拓展了新材料預測方法. 該方法是通過深入研究結構性能關係, 挖掘出控制相關性能響應的功能模組, 進而進行模組設計組裝預測新材料. 四面體基元是用於設計深紫外非線性光學材料的基本組成單元, 但由於在倍頻響應與光學各向異性響應的不確定性, 材料科學家們並沒有重視其在深紫外非線性光學材料的應用. 為了探索四面體的光學各向異性響應機制, 研究工作者們提出了評估四面體光學各向異性方法並發現由於共價相互作用較強的稀土陽離子引起的四面體角度偏離有利於四面體基元的光學各向異性. 這一部分工作已發表在英國皇家化學學會期刊《化學通訊》上 (Chem. Commun., 2017, 53, 2818) . 在進一步的研究中, 科研工作者們通過系統研究四面體化合物的預測光學各向異性並找到了控制四面體基元化合物光學各向異性的功能模組——具有 'zipper' 排列且存在角度偏離的四面體基元. 在不破壞功能模組的基礎之上以稀土元素作為調節晶體結構對稱性及光學各向異性在磷酸鹽中設計了一系列深紫外非線性光學材料. 這些材料的雙摺射相比於之前非心四面體化合物有了明顯的提升並具有深紫外截止邊. 其中α-YSc(PO4)2 是到目前為止第一例達到了深紫外非線性光學材料初步評估要求的磷酸鹽. 該純理論設計工作發表在國際學術期刊《美國化學會志》上 (J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10726) .
圖: 從中心化合中移稙功能模組到非心化合物中設計新型深紫外非線性光學晶體
