Дълговълновите инфрачервени двулъчеви кристали са ключови материали за инфрачервени оптични приложения, включително инфрачервена образна диагностика, лазерни технологии и оптични комуникации. Въпреки важността им високоефективните дълговълнови инфрачервени двулъчеви кристали са рядкост поради ограничения в двулъчевата способност, инфрачервеното предаване и растежа на кристалите.

Метални халогениди като обещаващи материали

Металните халогениди с електрони на самотни двойки са перспективни кандидати за дълговълнови инфрачервени двулъчеви материали. Въпреки това когато металните йони се координират с тежки халогени, активността на тези електрони намалява, което води до понижена двулъчевост на структурата.

Откритие на ефективен метод за подобряване на кристалите

Изследователският екип, ръководен от проф. Конг Фанг от Института за изследване на структурата на материята във Фудзиен към Китайската академия на науките (CAS), предлага иновативна стратегия за оксигениране, която преодолява компромиса между широко инфрачервено излъчване и висока двулъчевост. Резултатите са публикувани в Angewandte Chemie International Edition.

Как работи стратегията за оксигениране?

Изследователите заменят моновалентния халиден йон в халогенния полиедър с двувалентен кислороден йон. Тази модификация активира електроните на самотната двойка в централните катиони, което значително увеличава двулъчевата граница на кристала.

Нови кристални структури и тяхното значение

Използвайки Rb+-Sb3+-Cl- система, изследователите синтезират три нови структури:

  • Rb13Sb8Cl37

  • Rb3Sb2OCl7

  • Rb2Sb2OCl6

С намаляването на съотношението Cl/Sb, координационната геометрия на Sb3+ преминава от „холодиректен“ октаедър към „полудиректна“ квадратна пирамида.

Двулъчеви свойства и инфрачервено предаване

Благодарение на кислородните йони, Sb3+ в Rb3Sb2OCl7 и Rb2Sb2OCl6 приема пирамидална геометрия, което подобрява стеричната активност. Тези съединения представляват първите примери за оксихалиди на антимон(III) от алкални метали.

Изследователите отглеждат голям кристал на Rb2Sb2OCl6 (6×6×2 mm³), който демонстрира изключително инфрачервено предаване:

  • Инфрачервен край на прекъсване: 14 380 nm

  • Диапазон на пропускателна способност: 0,4-13,5 μm

Тези характеристики превъзхождат много от съществуващите двулъчеви кристали.

Оптимизация на двулъчевата граница

Изследователите установяват, че двулъчевата граница на съединенията е отрицателно свързана със съотношението Cl/Sb. Rb2Sb2OCl6 постига 0,191 @550 nm, което е 11,2 пъти по-високо от Rb13Sb8Cl37 (0,017 @550 nm). Това прави Rb2Sb2OCl6 обещаващ дълговълнов инфрачервен двулъчев кристал.

Заключение

Изследването представя нова материална система – оксихалиди на алкални метали с антимон(III). Чрез анализ на връзката между геометрична структура, електронни свойства и оптични характеристики, учените предоставят нови стратегии за разработване на дълговълнови инфрачервени двулъчеви кристали.

Източник: Phys.org