河北大学张兵兵在非线性光学材料高通量筛选方向取得重要成果

非线性光学晶体材料是拓展激光波长的重要功能材料。面对国家产业升级、自主创新对高性能激光光源的需求，研发具有高激光损伤阈值，大倍频效应，合适双折射，高光学质量的非线性光学晶体意义重大。相比于收录在数据库中数量众多的无机晶体材料，仅有少部分被用来研究其非线性光学效应，有大量的材料没有被研究和挖掘，是获得新材料的一座宝库。借助第一性原理方法对已有的晶体材料开展高通量筛选，是找到优异非线性光学晶体材料的一种有效途径。

近期，河北大学化学与环境科学学院光电功能材料设计与应用实验室张兵兵研究员建立了非线性光学材料第一性原理高通量筛选管线系统(First-principles High-throughput Screening Pipeline for Nonlinear Optical Materials，FHSP-NLO)。通过对知名非线性光学材料的测试表明该系统具有高的精度和可靠性。对大约300种具有非中心对称结构的硼酸进行了计算，验证了该系统的批量处理和自动化运行能力。此外，还发现了若干例性能优异但其非线性效应未被研究的新型材料，包括B₂S₂O₉、高压相Na₂B₄O₇、KB(SO₃Cl)₄、Ca(B₈O₁₁(OH)₄)等。该工作近期发表在化学材料期刊上(Chem. Mate.,IF:9.57,https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02583)。

紧接着，课题组对锗酸盐体系进行了筛选，在120余种锗酸盐中筛选出了若干种综合性能优异非线性光学材料。实验测试表明其中的两种材料具有宽的带隙和大的粉末倍频效应。基于对大量材料的统计分析表明，在锗酸盐体系中阳离子对于倍频效应和双折射起着关键作用。过渡金属d⁰阳离子和孤对电子阳离子有利于提升材料的倍频效应和双折射，是探索新材料的首选元素。该工作发表在ACS Appl. Mater. Inter (IF: 8.76,https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c15728)。

为了向广大科研工作者分享研究成果，张兵兵课题组建立了基于第一性原理的非线性光学材料数据库。该数据库包含材料的化学式，空间群，ICSD编号，用DFT方法计算的带隙、折射率、双折射、倍频系数。此外，该数据库提供综合检索功能，可通过元素组成，材料体系、材料性能等检索出满足要求的材料。该数据库免费开放，研究者可以通过http://nlo.hbu.cn访问。目前已完成了近万个材料的计算，数据库在持续更新中。

以上研究工作受到国家自然科学基金青年项目、面上项目，河北省面上项目，河北大学高层次引进人才项目的支持。

本文由作者团队供稿。