理化所反常熱膨脹光學晶體研究取得進展

在外界溫度變化時，常規光學晶體因“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，“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。然而，通過晶格在溫度場作用下的精巧平衡來實現零熱膨脹頗為困難，一方面，熱膨脹率嚴格等于零的晶體在自然界中不存在；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，影響晶體的透光性能，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來實現大溫度漲落下的光學穩定性，具有重要的科技意義。  

　　近日，中國科學院理化技術研究所研究員林哲帥、副研究員姜興興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。研究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，可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。研究在具有高光學透過的硼酸鹽材料中探索，系統分析了晶格動力學特征。在此基礎上，研究在AEB₂O₄ （AE=Ca或Sr）中發現了首個沿著三個主軸方向零、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 K ~ 280 K）。在相同溫度區間內，光程的變化量比常規光學晶體（石英、金剛石、藍寶石、氟化鈣）低三個數量級以上。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。該研究為光學晶體反常熱膨脹性質的調控提供了全新的方法，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。  

　　相關研究成果發表在Materials Horizons上。 

　　近年來，該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。  

　　論文鏈接 

（a）AEB₂O₄的晶體結構；（b）各向異性熱膨脹和熱光系數的匹配