具有零、正、负热膨胀共存特性的光学晶体AEB2O4(AE=Ca或Sr)

常规光学晶体在外界温度变化时，由于“热胀冷缩”效应，无法保持光信号传输的稳定性(如光程稳定性等)，限制了其在复杂/极端环境中精密光学仪器的应用。探索晶体的反常热膨胀性质，如零热膨胀，来“对冲”外界温场对晶体结构的影响是解决这一问题的有效途径。但是，要通过晶格在温度场作用下的精巧平衡来实现零热膨胀是十分困难的：一方面，热膨胀率严格等于零的晶体在自然界中并不存在；另一方面，目前化学组分调控晶体热膨胀性质的方法，例如多相复合、元素掺杂、客体分子引入和缺陷生成等，会影响到晶体的透光性能，不利于光学应用。如何在严格化学配比的晶体材料中，利用其本征的热膨胀性能实现大温度涨落下的光学稳定性，具有非常重要的科技意义。

近日，中国科学院理化技术研究所林哲帅研究员、姜兴兴副研究员等提出实现晶体热膨胀的超各向异性，即沿晶体结构的三个主轴方向分别具有零、正、负热膨胀性，来调控光学晶体反常热膨胀性质的新方法。通过数学推导，严格证明了当沿着三个主轴方向分别具有零、正、负热膨胀时，晶体具有最大的热膨胀可调性，能够实现热膨胀效应和热光效应的精巧“对冲”，获得完全不随温度变化的光程超级稳定性。他们在具有高光学透过的硼酸盐材料中进行探索，系统地分析了晶格动力学特征。在此基础上，在AEB2O4(AE=Ca或Sr)中发现了首例沿着3个主轴方向零、正、负热膨胀共存的特性。原位变温X射线衍射实验证明AEB2O4晶体具有宽的零、正、负热膨胀共存的温区(13～280 K)。在相同温度区间内，光程的变化量比常规光学晶体(如石英、金刚石、蓝宝石、氟化钙)低3个数量级以上。第一性原理结合变温拉曼光学揭示了AEB2O4这种新奇的热膨胀性质源自于离子(AEO8)基团拉伸振动和共价(BO3)基团扭转振动之间热激发的“共振”效应。该研究工作为光学晶体反常热膨胀性质的调控提供了一种全新的方法，对于光学晶体中轴向反常热膨胀性质的功能化具有重要意义。

相关研究成果近期发表在MaterialsHorizons(Mater.Horiz. 2022, doi: 10.1039/d2mh00273f)上。近年来，林哲帅研究员、姜兴兴副研究员团队致力于光电功能晶体反常热学和反常力学性能的研究，发现了系列具有负热膨胀、零热膨胀、负压缩以及零压缩性能的光电功能晶体，有望为复杂/极端环境下光学器件的稳定性和灵敏度问题提供解决方案。