具有零、正、負熱膨脹共存特性的光學晶體AEB2O4(AE=Ca或Sr)

常規光學晶體在外界溫度變化時，由于“熱脹冷縮”效應，無法保持光信號傳輸的穩定性(如光程穩定性等)，限制了其在復雜/極端環境中精密光學儀器的應用。探索晶體的反常熱膨脹性質，如零熱膨脹，來“對沖”外界溫場對晶體結構的影響是解決這一問題的有效途徑。但是，要通過晶格在溫度場作用下的精巧平衡來實現零熱膨脹是十分困難的：一方面，熱膨脹率嚴格等于零的晶體在自然界中并不存在；另一方面，目前化學組分調控晶體熱膨脹性質的方法，例如多相復合、元素摻雜、客體分子引入和缺陷生成等，會影響到晶體的透光性能，不利于光學應用。如何在嚴格化學配比的晶體材料中，利用其本征的熱膨脹性能實現大溫度漲落下的光學穩定性，具有非常重要的科技意義。

近日，中國科學院理化技術研究所林哲帥研究員、姜興興副研究員等提出實現晶體熱膨脹的超各向異性，即沿晶體結構的三個主軸方向分別具有零、正、負熱膨脹性，來調控光學晶體反常熱膨脹性質的新方法。通過數學推導，嚴格證明了當沿著三個主軸方向分別具有零、正、負熱膨脹時，晶體具有最大的熱膨脹可調性，能夠實現熱膨脹效應和熱光效應的精巧“對沖”，獲得完全不隨溫度變化的光程超級穩定性。他們在具有高光學透過的硼酸鹽材料中進行探索，系統地分析了晶格動力學特征。在此基礎上，在AEB2O4(AE=Ca或Sr)中發現了首例沿著3個主軸方向零、正、負熱膨脹共存的特性。原位變溫X射線衍射實驗證明AEB2O4晶體具有寬的零、正、負熱膨脹共存的溫區(13～280 K)。在相同溫度區間內，光程的變化量比常規光學晶體(如石英、金剛石、藍寶石、氟化鈣)低3個數量級以上。第一性原理結合變溫拉曼光學揭示了AEB2O4這種新奇的熱膨脹性質源自于離子(AEO8)基團拉伸振動和共價(BO3)基團扭轉振動之間熱激發的“共振”效應。該研究工作為光學晶體反常熱膨脹性質的調控提供了一種全新的方法，對于光學晶體中軸向反常熱膨脹性質的功能化具有重要意義。

相關研究成果近期發表在MaterialsHorizons(Mater.Horiz. 2022, doi: 10.1039/d2mh00273f)上。近年來，林哲帥研究員、姜興興副研究員團隊致力于光電功能晶體反常熱學和反常力學性能的研究，發現了系列具有負熱膨脹、零熱膨脹、負壓縮以及零壓縮性能的光電功能晶體，有望為復雜/極端環境下光學器件的穩定性和靈敏度問題提供解決方案。