КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-43-00162
НазваниеПредсказание, дизайн и синтез новых боратных нелинейно-оптических кристаллов
Руководитель Оганов Артем Ромаевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва
Конкурс №86 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов
Ключевые слова нелинейно-оптические материалы; борат; структурное прогнозирование; генерация второй гармоники; ультрафиолетовое излучение
Код ГРНТИ31.15.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Создание полностью твердотельного источника ультрафиолетового (УФ) лазерного излучения – важная задача в современной фотонике. Генерация УФ-излучения в твердотельных лазерах во многом зависит от преобразования частоты в нелинейно-оптических (НЛО) материалах. Однако коммерчески доступные НЛО-материалы не удовлетворяют существующим требованиям для применений УФ-лазера. Поэтому важно разработать новые НЛО-материалы, которые бы работали в УФ-диапазоне, обладая коротковолновым краем поглощения, высоким коэффициентом генерации второй гармоники и подходящим двулучепреломлением.
В этом проекте оба партнера, обладающие прекрасно взаимодополняющими компетенциями – из Синьцзянского технического института физики и химии (Китайская Академия Наук) в Китае и Сколковского института науки и технологий (Сколтех) в России, - сосредоточатся на исследовании новых боратных НЛО кристаллов с оптимально сбалансированными свойствами.
В рамках этого проекта мы создадим новую стратегию, сочетающую предсказание и контролируемый синтез кристаллов новых НЛО-материалов. Во-первых, будет проанализирована взаимосвязь между микроструктурой и макроскопическими свойствами, и будет произведен поиск функциональных единиц, присутствие которых способствует высокому коэффициенту генерации второй гармоники. Будут предсказаны новые боратные фазы с новыми структурными единицами. В синтезе УФ-НЛО боратов мы будем руководствоваться результатами скрининга состава и структуры; также для наиболее перспективных веществ будут выращены монокристаллы. Мы ожидаем получить новый УФ-НЛО материал (отклик SHG ≥2 × KDP при 1064 нм, край полосы поглощения в УФ-диапазоне ≤200 нм), и будет выращен кристалл высокого качества. Данный проект станет важным этапом в разработке стратегии проектирования новых УФ-НЛО материалов и даст представление об исследовании новых высокоэффективных боратных материалов УФ-НЛО со сбалансированными свойствами.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Поиск новых нелинейно-оптических структур – сложная и важная задача современного материаловедения. С помощью таких материалов можно, например, преобразовывать видимый лазер в ультрафиолетовый. Это важно, в частности, в микроэлектронике, но требует особых материалов, обладающих (1) высокими коэффициентами генерации второй гармоники, (2) высоким двулучепреломлением, (3) прозрачностью в ультрафиолетовом диапазоне, (4) высоким порогом лазерного разрушения, (5) легкостью выращивания крупных монокристаллов высокого качества. По совокупности этих свойств наиболее перспективными являются бораты и фосфаты немагнитных металлов с нецентросимметричными и анизотропными структурами. Многие из этих систем обладают значительной химической и структурной сложностью и представляют собой вызов как для теоретических расчетов, так и для эксперимента. За 2024 г. нам удалось провести:
(1) Важные методологические работы, включающие как создание глубокой сверточной нейронной сети на графах для предсказания коэффициентов генерации второй гармоники, так и усовершенствования метода USPEX для предсказания структур.
(2) Проведя скрининг баз данных неорганических кристаллических структур, мы идентифицировали 33 потенциально интересных материала. Детальные расчеты их свойств показали, что четыре материала обладают замечательными нелинейно-оптическими свойствами в ультрафиолетовом диапазоне: K₃B₆O₁₀Cl, Ca₅B₃O₉F, SrB₄O₇ and Al₄(B₂O₅)₃. Эти материалы уже были получены экспериментально (причем для SrB4O7 известны две полиморфные модификации), но их нелинейно-оптические свойства либо были недостаточно изучены, либо не были известны. Предсказанные свойства этих материалов примечательны: по сравнению со стандартом (дигидрофосфат калия, KH2PO4, KDP), коэффициенты генерации второй гармоники в 1.2-2.4 раза больше, двулучепреломление в 1.5 раза больше, а край поглощения варьирует от 164 нм (Al₄(B₂O₅)₃) до 209 нм (Ca₅B₃O₉F).
Публикации
1. Алкабакиби И., Барма Д.Д., Рыбковский Д.В., Оганов А.Р. Computational Identification of Four Promising Nonlinear Optical Materials for Deep Ultraviolet Operation "Письма в ЖЭТФ"/JETP Letters (год публикации - 2025)
2.
Конг Ж., Ши К., Оганов А.Р., Жанг Ж.Ж., Су Л., Донг Х.
Exotic compounds of monovalent calcium synthesized at high pressure
Matter and Radiation at Extremes, 9, 067803 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0222230
3.
Тонких А.А., Рыбковский Д.В., Еняшин А.Н., Образцова Е.А., Чук Н.В., Образцова Е.Д.
The probing of local charge with sulfur encapsulated in single-walled carbon nanotubes
Carbon, 232, 119806 (год публикации - 2025)
10.1016/j.carbon.2024.119806
4.
Фан Т., Оганов А.Р.
Combining machine-learning models with first-principles high-throughput calculations to accelerate the search for promising thermoelectric materials
Journal of Materials Chemistry C (год публикации - 2025)
10.1039/D4TC03403A