Enhancement of Second-Order Optical Nonlinearity in a Lutetium Selenite by Monodentate Anion Partial Substitution

齿合度 材料科学 二次谐波产生 热液循环 离子 热稳定性 结晶学 晶体结构 化学 光学 物理 激光器 地质学 地震学 有机化学 冶金 氧化物
作者
Chao Wu,Longhua Li,Lin Lin,Zhipeng Huang,Mark G. Humphrey,Chi Zhang
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (7): 3043-3053 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.0c00034
摘要

The systematic modification of the molecular structure of nonlinear optical (NLO)-active materials is a very attractive approach to the improvement of NLO performance. In this study, one lutetium selenite compound Lu(SeO3)(HSeO3)(H2O)·(H2O) (1) was synthesized by hydrothermal means, while a further two lutetium selenites Lu3F(SeO3)4 (2) and Lu(SeO3)(NO3)(H2O) (3) were successfully synthesized by anion partial substitution (APS) of the parent structure 1 under hydrothermal conditions. Specifically, substitution of the [HSeO3]– anions in the noncentrosymmetric 1 by F– or [NO3]− anions with differing denticity leads to the formation of polar 2 and centrosymmetric 3. Our study reveals that the denticity of the secondary functional anions has a significant influence on the coordination environments of the rare-earth-metal cation Lu3+ and consequently the molecular configuration and NLO performance of the resultant multidimensional selenites. In contrast to 1, which displays a weak second-harmonic generation (SHG) response (0.1 × KH2PO4 (KDP)), 2 exhibits a greatly improved NLO performance, including a strong SHG signal (2.5 × KDP, the highest value among rare-earth-metal-based NLO selenites), a wide band gap (3.57 eV) and optical transparency window (0.35–10.3 μm), high thermal stability (∼550 °C), and a large laser damage threshold (36 × AgGaS2). These results suggest that 2, as the first example of a fluorinated lutetium selenite, is a strong NLO candidate crystal spanning a region from the near-ultraviolet to the mid-infrared. These APS studies highlight a new feasible approach toward high-performance NLO crystals.
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