红外非线性光学(NLO)晶体,在红外对抗、爆炸物探测、医学诊断、大气传感和光通信等领域发挥着重要作用。然而,现有商业化红外NLO晶体,如AgGaS2(AGS)、AgGaSe2(AGSe)和ZnGeP2仍然存在激光损伤阈值低、双光子吸收严重、难以满足相位匹配等本征缺陷,限制了它们在高功率激光输出中的应用。因此,开发高性能红外NLO晶体材料仍然是当前研究的热点和难点。
聚硫阴离子([Sx]2-,x = 2–6)因其在定制红外NLO和双折射材料性能方面的优势,引起了广泛的研究兴趣。然而,聚硫阴离子通常作为强离子性的孤立基团, 一般不作为配体参与配位。截止目前,仅在两例化合物中发现线性连硫[S2]2-配体参与金属中心阳离子的配位作用: A3Ta2AsS11(J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 75–77)和Li2Cs4Ge2S5(S2)Cl2(Chem. Eur. J. 2019, 25, 5440–5444)。然而,线性连硫[S2]2-配体仍然是采用最常见的随机取向方式,因此造成微观极性抵消,二次谐波产生(SHG)与双折射性能尚未实现协同提升。因此,如何实现线性连硫[S2]2-配体对SHG强度和光学各向异性两种关键性能的协同提升,是一个具有挑战性的关键问题。
吴立明、陈玲课题组长期深耕硫属化合物研究,在多硫化合物探索研究方面也颇有建树,他们通过多硫化钾助熔剂成功合成首例具有非公度调制结构的红外NLO多硫化合物Re2SnS5(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 11861–11865)。近期,该团队利用铌的多价态特性以及线性连硫[S2]2-单元的配位作用,首次合成了线性连硫[S2]2-配位的硫代镓酸盐NbGa2S4(S2)。该化合物结晶于非中心对称的单斜晶系Cm空间群,具有无限扩展的三维框架结构。其结构由[(NbIV)2S8(S22-)2]12-二聚体与[GaS4]5-四面体层状次结构连接而成。该化合物综合性能良好, SHG响应强 (1.5 AGS)、激光损伤阈值高(5.7 AGS)、双折射率大 (Δn = 0.29@2 μm)。理论研究与结构分析表明,线性连硫[S2]2-配体在提升SHG强度和增大光学各向异性两方面均发挥了重要作用。

本工作近期被Angewandte Chemie International Edition杂志,以“NbGa2S4(S2): A Rare Linear [S2]2- Coordination to Niobium Resulting in Simultaneously Large SHG Effect and Giant Birefringence”为标题接收发表(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, DOI: 10.1002/anie.202509238),国产探花
、珠海先进材料研究中心为该工作完成单位,通讯作者为吴立明教授和陈玲教授。感谢国家自然科学基金、国产探花
、国产探花
珠海自然高等研究院、北京市自然科学基金等的大力资助与支持。