河北大學張兵兵在非線性光學材料高通量篩選方向取得重要成果

非線性光學晶體材料是拓展激光波長的重要功能材料。面對國家產業升級、自主創新對高性能激光光源的需求，研發具有高激光損傷閾值，大倍頻效應，合適雙折射，高光學質量的非線性光學晶體意義重大。相比于收錄在數據庫中數量眾多的無機晶體材料，僅有少部分被用來研究其非線性光學效應，有大量的材料沒有被研究和挖掘，是獲得新材料的一座寶庫。借助第一性原理方法對已有的晶體材料開展高通量篩選，是找到優異非線性光學晶體材料的一種有效途徑。

近期，河北大學化學與環境科學學院光電功能材料設計與應用實驗室張兵兵研究員建立了非線性光學材料第一性原理高通量篩選管線系統(First-principles High-throughput Screening Pipeline for Nonlinear Optical Materials，FHSP-NLO)。通過對知名非線性光學材料的測試表明該系統具有高的精度和可靠性。對大約300種具有非中心對稱結構的硼酸進行了計算，驗證了該系統的批量處理和自動化運行能力。此外，還發現了若干例性能優異但其非線性效應未被研究的新型材料，包括B₂S₂O₉、高壓相Na₂B₄O₇、KB(SO₃Cl)₄、Ca(B₈O₁₁(OH)₄)等。該工作近期發表在化學材料期刊上(Chem. Mate.,IF:9.57,https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02583)。

緊接著，課題組對鍺酸鹽體系進行了篩選，在120余種鍺酸鹽中篩選出了若干種綜合性能優異非線性光學材料。實驗測試表明其中的兩種材料具有寬的帶隙和大的粉末倍頻效應。基于對大量材料的統計分析表明，在鍺酸鹽體系中陽離子對于倍頻效應和雙折射起著關鍵作用。過渡金屬d⁰陽離子和孤對電子陽離子有利于提升材料的倍頻效應和雙折射，是探索新材料的首選元素。該工作發表在ACS Appl. Mater. Inter (IF:?8.76,https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c15728)。

為了向廣大科研工作者分享研究成果，張兵兵課題組建立了基于第一性原理的非線性光學材料數據庫。該數據庫包含材料的化學式，空間群，ICSD編號，用DFT方法計算的帶隙、折射率、雙折射、倍頻系數。此外，該數據庫提供綜合檢索功能，可通過元素組成，材料體系、材料性能等檢索出滿足要求的材料。該數據庫免費開放，研究者可以通過http://nlo.hbu.cn訪問。目前已完成了近萬個材料的計算，數據庫在持續更新中。

以上研究工作受到國家自然科學基金青年項目、面上項目，河北省面上項目，河北大學高層次引進人才項目的支持。

本文由作者團隊供稿。