隨著科技的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對光學(xué)材料的性能要求越來越高，因此也就催生了非線性光學(xué)晶體的出現(xiàn)。非線性光學(xué)晶體是一種功能材料，其中的倍頻(或稱“變頻”)晶體可用來對激光波長進(jìn)行變頻，從而擴展激光器的可調(diào)諧范圍，在激光技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
中紅外非線性光學(xué)晶體能夠通過頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生中紅外可調(diào)諧激光，在環(huán)保、醫(yī)療等方面應(yīng)用廣泛。目前，主要的商用紅外非線性光學(xué)晶體有硫鎵銀、硒鎵銀和磷鍺鋅等，但存在激光損傷閾值較低的缺陷，難以滿足更豐富的實際需求。因此，亟需探索抗激光損傷性能更優(yōu)異的中紅外非線性光學(xué)材料。由于熱損傷是激光損傷的重要組成部分，具有大熱導(dǎo)率的非線性光學(xué)材料可能具備高的激光傷閾值。
然而，在非線性光學(xué)材料的研究中，熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取較為困難，材料的熱輸運性能長期被忽視。因此，以較低代價獲得對材料熱導(dǎo)率的準(zhǔn)確預(yù)測，對于評估中紅外非線性光學(xué)材料的抗激光損傷性能，以及實現(xiàn)倍頻效應(yīng)、激光損傷閾值、雙折射率以及紅外透過范圍之間的平衡具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所林哲帥團隊發(fā)展了基于機器學(xué)習(xí)的中紅外非線性光學(xué)材料篩選新策略，并利用該方法在硫?qū)倩衔镞@一中紅外非線性光學(xué)材料的常見候選體系中篩選出若干種潛在的具有平衡的熱輸運和光學(xué)性能的中紅外非線性光學(xué)材料。
研究對Materials Project數(shù)據(jù)庫收錄的6000余種非中心對稱硫?qū)倩衔镞M(jìn)行晶格熱導(dǎo)率預(yù)測，根據(jù)熱導(dǎo)率預(yù)測值、帶隙和總能等標(biāo)準(zhǔn)篩選出78種材料(其中39種被報道為非線性光學(xué)材料)。研究通過進(jìn)一步對未報道的材料進(jìn)行第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，2種兼具大倍頻效應(yīng)、高晶格熱導(dǎo)率、寬帶隙和適宜雙折射率的潛在中紅外非線性光學(xué)材料Li2SiS3和AlZnGaS4被篩選出，同時第一性原理計算獲得的高晶格熱導(dǎo)率數(shù)值與機器學(xué)習(xí)預(yù)測值相接近，證實了預(yù)測工具的可靠性。
研究團隊進(jìn)而對機器學(xué)習(xí)模型產(chǎn)生的晶格熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)報道的非線性光學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)硫?qū)倩衔镏杏?配位基團組成，其中心陽
離子鍵價和為+2~+3且來自IIIA、IVA、VA和IIB族元素的材料，如類金剛石硫?qū)倩衔?，是具有大的倍頻系數(shù)和熱導(dǎo)率的中紅外非線性光學(xué)材料的有力候選者。
本工作將機器學(xué)習(xí)與第一性原理計算、高通量篩選相結(jié)合，提出了一套中紅外非線性光學(xué)材料性能預(yù)測和篩選的完整工作流程，揭示了產(chǎn)生大的熱導(dǎo)率和倍頻系數(shù)的結(jié)構(gòu)
化學(xué)規(guī)律。該研究不僅為非線性光學(xué)晶體的篩選提供了有效策略，而且為尋找具有平衡的非線性光學(xué)性能和抗激光損傷性能的晶體提供了可解釋的研究方向。
相關(guān)研究成果以A Machine Learning Study on High Thermal Conductivity Assisted to Discover Chalcogenides with Balanced Infrared Nonlinear Optical Performance為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。
來源： 中科院理化技術(shù)研究所
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