Computer-Assisted Design of a Superior Be₂BO₃F Deep-Ultraviolet Nonlinear-Optical Material

Abstract

Deep-ultraviolet (DUV) nonlinear-optical (NLO) materials generating coherent DUV light by a direct second-harmonic-generation (SHG) process have long been pursued as industrially useful lasers. For several decades, KBeBOF (KBBF) has been regarded as the best DUV-NLO material; it is characterized by a short DUV phase-matching edge of 161 nm and a large SHG coefficient of 0.47 pm/V. However, it suffers a strong layering tendency, hindering the growth of large crystals for commercial use. Here, we use a computer-aided swarm structure searching technique to design an alternative DUV-NLO material with a new atmospheric-pressure phase BeBOF with a P6̅2 c space group (γ-BBF) that outperforms the DUV-NLO properties of KBBF. The predicted DUV phase-matching edge and SHG coefficient of γ-BBF are 152 nm and 0.70 pm/V, respectively. The structure of γ-BBF reduces the layering tendency compared with KBBF because of the absence of K atoms in the γ-BBF crystal. Our work paves the way for superior DUV-NLO materials that can be grown as large crystals for commercial applications.

Neue Kandidaten für die nichtlineare Optik im Tief‐UV‐Bereich

“…[14,15,[20][21][22][23][43][44][45][46][47] Die meisten dieser Materialien sind bis in den tiefen UV-Spektralbereich transparent, weisen beachtliche SHG-Antworten und einen günstigen Wachstumshabitus auf, jedoch erreichen noch immer nur wenige tatsächlich erhaltene Kristalle oder vorhergesagte Strukturen PM-Verhalten im tiefen UV-Spektralbereich unter 200 nm. Soweit uns bekannt (siehe Tabelle 1, Tabelle 2 und Abbildung 4), ist -außer KBBF, RBBF und SBBO-bisher für nur wenige Kristalle, darunter experimentell erhaltenes BaBe 2 BO 3 F 3 (BBBF), [43a] NH 4 Be 2 BO 3 F 2 (ABBF), [44] Be 2 BO 3 F (C2), [45] Be 2 BO 3 F (R32), [44] 43c] sowie theoretisch entworfenes LiBe 2 BO 3 F 2 (R32), [46] NaBe 2 BO 3 F 2 (R32), [46] Be 2 BO 3 F (P6 2c), [47] NaBeBO 3 (P6 c) [48] und NaBeBO 3 (P6 ), [48] zu erwarten, dass sie Tief-UV-Laserstrahlung durch das direkte SHG-Verfahren abgeben. Diese Kandidaten haben zahlreiche Strukturmerkmale gemeinsam: 1) Es handelt sich um Beryllium-oder Aluminiumborate, und die meisten davon (9 von 11) enthalten Fluor, was auf die positive Rolle von stark kovalenten [Be/AlO 3 F] 5À -Einheiten zurückzuführen ist, die nicht abgesättigte Bindungen eliminieren; außerdem verschiebt Fluor mit seiner großen Elektronegativität die Absorptionskante in den tiefen UV-Spektralbereich.…”

“…Diese Kandidaten haben zahlreiche Strukturmerkmale gemeinsam: 1) Es handelt sich um Beryllium-oder Aluminiumborate, und die meisten davon (9 von 11) enthalten Fluor, was auf die positive Rolle von stark kovalenten [Be/AlO 3 F] 5À -Einheiten zurückzuführen ist, die nicht abgesättigte Bindungen eliminieren; außerdem verschiebt Fluor mit seiner großen Elektronegativität die Absorptionskante in den tiefen UV-Spektralbereich. [43][44][45][46][47][48] 2) Alle Elementzusammensetzungen (Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Aluminium, Ammonium, Bor, Sauerstoff und Fluor) in den oben genannten Strukturen sind frei von elektronischen d-d-oder f-f-Übergängen, was für eine hohe Transparenz im tiefen UV-Spektralbereich vorteilhaft ist. Somit sind sie alle bis in den tiefen UV-Spektralbereich transparent und weisen sehr niedrige Absorptionskanten bei 138-185 nm auf.…”

“…Somit sind sie alle bis in den tiefen UV-Spektralbereich transparent und weisen sehr niedrige Absorptionskanten bei 138-185 nm auf. [43][44][45][46][47][48] 3) Alle enthalten nur p-konjugierte…”

A novel stibium phosphate, LiBa(SbO)2(PO4)3: synthesis, crystal structure and RE3+-activated (RE = Tb3+ and Eu3+) fluorescence performance

“…The absorption bands at around 740, 620 and 500 nm correspond to the symmetrical bending vibrations of PO 4 tetrahedra. R) 2 /2R was used to convert the spectrum for estimating the optical absorption cut-off edge, where is the absorption coefficient, S is the scattering coefficient, K is absorption and R is reflectance (Liu et al, 2010a;Bian et al, 2018). It can be seen that the undoped LiBa(SbO) 2 (PO 4 ) 3 sample does not absorb light energy in the visible range 420-800 nm, and the strong absorption occurs in the UV light region staring from 265 nm.…”

Prediction of Fluorooxoborates with Colossal Second Harmonic Generation (SHG) Coefficients and Extremely Wide Band Gaps: Towards Modulating Properties by Tuning the BO3/BO3F Ratio in Layers

“…4 KDP). [35][36][37] Herein, guided by the fluorooxoborates strategy of tuning the BO 3 /BO 3 Fratio in layers,f ive stable structures with the composition of BaB 2 O 3 F 2 (I-V) are discovered using Most importantly,t he influences of BO 3 :BO 3 F ratio and their number density on band gap,birefringence and SHG effects are investigated.…”