福建物构所非线性光学原子响应理论取得新进展
更新日期：2020-10-29非线性光学（NLO）材料是重要的无机光电信息功能材料之一，是激光技术和现代军事技术中不可或缺的关键材料。早期阴离子基团理论曾引领了NLO领域的发展，面对新材料、新体系和新问题，亟需在此基础上，突破原有理论框架，从基本原理出发，研究NLO效应的起源。
基于中科院战略性先导科技专项、科技部973计划、国家自然科学基金和中科院青促会等基金的资助下，福建物构所结构化学国家重点实验室邓水全课题组，利用前期提出的NLO原子响应理论方法，开展了NLO材料原子尺度构效关系方面的研究。针对系列经典硼酸盐NLO化合物，研究了金属阳离子对倍频系数的重要贡献，并指出其贡献大小会受到可极化能力及周围阴离子分布的影响。研究还表明，共价键的形成会削弱阴离子(如O2-)对倍频效应的贡献。此外，通过考虑结构因素，将不同大小的晶胞归一化，基于系列化合物的数据分析提出了适用于不同晶体结构的半经验规律deff vs. αsum/(NEg)。该规律能够很好地描述不同结构硼酸盐NLO化合物有效倍频系数与体系可极化性和带隙的关系，有助于寻找新的NLO材料。该工作发表于ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 9434。
在另一项工作中，我们针对长期以来在NLO领域将静态偶极矩作为寻找新型NLO材料的策略，通过对顺电相与铁电相KH2PO4（KDP）倍频效应起源的原子尺度研究，明确揭示了静态偶极矩与二阶非线性光学响应大小的无关性，并在现有理论框架下给出了解析证明。研究还指出了低对称性化合物中的Kleinman对称性破缺现象。该工作发表于RSC Advances 2020, 10, 26479。
图1：BBO中原子配位情况与单原子贡献大小。
在材料基因组计划的框架下及NLO材料功能基元理论研究方面，目前广泛采用的是按化学稳定性所划分出的基团。但理论上，针对不同物理性质，基团划分并不一定相同。由于缺乏按照物理性质的结构划分方案，无法对各种不同组合的基元进行比较，难以准确获得材料的功能基元。通过分析中子衍射微分截面和X射线散射现象，我们首次提出了一般性的按物理性能为标准的基团划分理论，并基于拓扑方案对边界原子的贡献进行了划分。该理论可以针对特定物理性质计算基团贡献大小，为功能基元的划分提供了有效的定量标准。以KBBF为例，研究详细阐述了该理论方法的应用，并发现二阶倍频效应的来源主要是离子键金属中心基团2×[BeO3/3F1/4]（50.0 %）与[KF6/4]（31.6%）。审稿人对该工作给与了高度评价：“该工作考虑离子键对倍频效应贡献的想法是全新的，在NLO领域做出了一个重要且原创的贡献。他们发现了一些令人惊讶的结果，与倍频效应的经验法则相反。这些结果为相关物理化学机制的理解提供了重要的启发，更关键的是，该工作为寻找新的NLO材料开辟了一条新的途径。”该工作发表于Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 19299.
图2：KBBF中倍频效应基团的划分
此前该研究团队于2017年提出了NLO原子响应理论（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3933）；提出了NLO材料设计半经验性规律（Inorg. Chem. 2019, 58, 9572.）；并与实验合作设计研究了多种高性能NLO新材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 8171.；J Mater. Chem. C 2020, 8, 1244.）。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b20023
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cp/d0cp02755c#!divAbstract
（邓水全课题组供稿）