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黄富强课题组通过晶体结构设计合成新型功能材料



晶体结构设计是探索新型无机功能材料的有效手段。近日,金沙网站黄富强课题组与合作者通过合理的晶体结构设计,成功获得了种具有优良性能的新型功能材料,分别为强响应红外非线性光学晶体Sr6Cd2Sb6O7S10以及高稳定性的离子导体Li4Cu8Ge3S12

波长在320 m的中远红外可调谐激光在军事和民用方面如激光制导、红外激光通讯、红外遥感、红外激光雷达、以及环境监测等都有非常重要的应用。红外非线性光学晶体材料可以通过光学参量震荡(OPO)、倍频(SHG)或者差频(DFG)等非线性频率转换技术,变频输出中远红外激光。目前实用的ZnGeP2AgGaS2AgGaSe2等黄铜矿结构晶体均为国外在20世纪70年代发现,但它们都存在各自的问题例如AgGaS2的热导率小,激光损伤阈值较低,难以实现高功率激光输出;ZnGeP2晶体中存在严重的双光子吸收,难以实现宽频输出。这些问题都限制了材料的实际应用。因此,探索高性能的新型红外非线性光学晶体材料具有十分重要的意义。

黄富强课题组与中科院理化技术研究所姚吉勇课题组以及华中科技大学翟天佑课题组合作,从晶体结构设计出发,开创性将高度极化的Sb/O/S基团作为功能基元,开发出一种新型强响应红外非线性光学晶体Sr6Cd2Sb6O7S10。该材料在2.09m激光照射下,可以实现高强度倍频信号(SHG)输出,是同等条件下AgGaS24,这是目前已报道的氧硫化物非线性材料中的最高值此外,基于单晶及粉末样品的变温测试表明,通过降温可以实现材料更强的倍频响应该材料具有相位匹配的特性,因此可以满足实际应用需求理论计算表明,材料的非线性响应主要来源于高度极化的SbOS4基团,验证了晶体结构设计思路的有效性本研究为探索高性能的新型红外非线性光学晶体提供了新的设计思路研究结果以Sr6Cd2Sb6O7S10: Strong SHG Response Activated by Highly Polarizable Sb/O/S Groups 为题于2019415发表于Angewandte Chemie杂志https://doi.org/10.1002/anie.201902806)。金沙网站2014级博士生王瑞琦为本文的第一作者,黄富强教授、姚吉勇教授、翟天佑教授和张弦博士为本文的通讯作者

图1 Sr6Cd2Sb6O7S10晶体结构设计及红外非线性响应

固态电解质是全固锂电池器件的核心部件之一。硫化物锂离子导体具有媲美有机电解液的高离子电导率,然而目前此类材料的稳定性普遍较差,一定程度上限制了其大规模应用。黄富强课题组与高压科学研究中心吕旭杰课题组及杨文革课题组合作,利用高化学稳定性的Cu-Ge-S骨架构建开放的三维框架结构,提供锂离子的传输通道,合成了新型锂离子导Li4Cu8Ge3S12离子电导率可达0.09 mS/cm,电化学稳定窗口可达1.5 V。该材料在潮湿环境及含LiOH水溶液均具有良好的稳定性,有潜力作为固态电解质构建全固锂电器件。本研究为探索高稳定性的新型固态电解质提供了新的设计思路。研究成果以Chemistry Design Towards a Stable Sulfide-based Superionic Conductor Li4Cu8Ge3S12”为题于201942发表于Angewandte Chemie杂志https://doi.org/10.1002/ange.201901739)。金沙网站已毕业博士生王瑛琪为文章的第一作者,黄富强教授,吕旭杰研究员与杨文革研究员为本文的通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委和北京分子科学国家研究中心等项目的资助

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2. Li4Cu8Ge3S12晶体结构设计及锂离子导电性

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