非线性光学(NLO)材料在激光倍频、电光调制、光存储、光限幅和光开关等方面具有广泛应用，是实现以光电子技术为核心的现代信息技术的重要物质基础。其中紫外日盲区(solar-blind, 210-280 nm)非线性光学材料，在安全通信网络、火灾监测系统和食品杀菌等应用的重要应用。目前大多数商用的紫外非线性光学材料为无机材料，而有机材料很少，这主要是因为：1)有机非线性基元间容易存在较大的偶极相互作用，这促使75%的有机材料结晶于中心对称结构，进而使晶体无二阶NLO响应；2）有机基团间的团聚，容易使得大多数构建的有机NLO晶体能隙发生红移，造成晶体在紫外范围内不透明。因此，如何在含大偶极矩有机系统中打破中心对称陷阱，设计合成综合性能优越的紫外有机NLO材料具有重要的意义。


针对上述科学问题和技术需求，北京师范大学化学学院吴立明、陈玲教授课题组近期通过第一性原理计算筛选出具有大的极化各向异性、高的超极化率和较大的带隙的极性有机发色团四羟基吡啶阳离子 (C5H6ON)+，首次提出其可作为优越的紫外日盲区NLO活性功能基元。基于此，他们利用“盐策略”，结合氢键工程，通过调节阴阳离子二元体系的摩尔比例(C5H6ON)+:(H2PO4)?= 1:0，2: 1，1: 1)，有效地调控了晶体中有机基团偶极-偶极相互作用，打破了偶极相互作用诱导的“中心对称陷阱”，成功设计合成了一种性能优越的半有机紫外日盲区NLO晶体(C5H6ON)+(H2PO4)-，4HPP。研究表明，其在重要的可见至近红外光学基波范围(600-1500 nm)呈现出较大二阶倍频响应(2.1-3 × KDP),优于唯一商业化的半有机LAP和DLAP晶体(2.14 × KDP)，且其中具有π共轭的有机阳离子基团(C5H6ON)+由于其显著的结构各向异性特征，使得4HPP晶体呈现出较大的双折射率(0.25 @1064 nm)，远大于具有非π共轭特点的LAP晶体(0.075 @1064 nm)。另外，相较于LAP晶体，4HPP呈现出较宽的透过范围(0.26–1.50 μm)，较好的热稳定性(166°C vs 112°C of LAP)和高的激光损伤阈值LIDT (2.2 × KDP)，是迄今为数不多的、综合性能优越的、具有重要应用前景的NLO材料之一。


该研究成果被《美国化学会杂志》接收发表。北京师范大学化学学院为唯一完成单位，通讯作者为吴立明和陈玲教授。该研究得到国家自然科学基金、北师大高层次引进人才基金、化学学院、北京市重点实验室、北京市自然科学基金等资金的大力资助，特此感谢。


原文链接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.1c0095910.1021/jacs.1c00959