[논문 리뷰] Predicting Berborite as Potential Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Crystal from First Principles

Lei Kang, Pifu Gong외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Crystal Structures and Properties참고 문헌 44인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 베르보라이트(Be2BO5H3), 특히 그 1T 다형체가 KBBF와 비교할 만한 깊은 자외선 비선형 광학(DUV NLO) 결정으로 유망하다고 예측한다. 밀도함수이론 기반의 첫 번째 원리 계산을 통해 1T-베르보라이트는 넓은 금역간격(≈8.2 eV), 강한 두 번째 고조파 생성(d16 ≈ 0.52 pm/V), 큰 굴절률 이질성(Δn ≈ 0.087), 그리고 175 nm까지의 위상 일치 능력을 보이며, 177.3 nm와 193.7 nm에서 KBBF와 비교하거나 뛰어난 deff를 갖는 효율적인 DUV 출력을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Following our ab initio nonlinear optical (NLO) materials design guidelines, in this Letter, we discovered a novel type of structure to realize potential deep-ultraviolet (DUV) NLO performance in the classical beryllium borate system. By densely stacking the NLO-active layered frameworks, the key design scheme for the structural evolution from the (Be2BO3F2) layers in KBe2BO3F2 (KBBF) to the novel (Be2BO5H3) layers in berborite is illustrated. Based on available experimental results and systematical theoretical evaluation from first principles, the NLO properties of berborite are further obtained as comparable as the only pratical DUV NLO crystal KBBF. It is demonstrated that berborite can achieve available DUV phase-matched output with strong NLO effect for the practically important 177.3 nm and 193.7 nm lasers. Once obtained with sizable single crystal, it can be applied as a promising DUV NLO crystal.

연구 동기 및 목표

• 기준 물질인 KBe2BO3F2(KBBF)와 비교할 만한 성능을 갖는 새로운 깊은 자외선 비선형 광학(DUV NLO) 재료를 규명하는 것.
• KBBF의 (Be2BO3F2)∞ 계면에서 새로운 다층 구조로의 구조적 진화를 탐색하여 DUV NLO 성능이 향상된 프레임워크를 도출하는 것.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 천연 존재하는 베르보라이트(Be2BO5H3)의 DUV NLO 성능을 평가하는 것.
• 1T-베르보라이트가 177.3 nm 및 193.7 nm 레이저 소스에 대해 실용적인 위상 일치를 달성할 수 있는지 확인하는 것.
• 1T-베르보라이트의 결정 성장 잠재력을 다층 간 결합력과 기계적 성질을 기반으로 평가하는 것.

제안 방법

• 전자 구조, 금역간격, 굴절률 이질성, 두 번째 고조파 생성(SHG) 반응을 평가하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 아비니오 계산을 수행하였다.
• F− → OH−의 음이온 치환과 반데르발스(vdW) 공학을 통해 KBBF의 (Be2BO3F2)∞ 계면에서 새로운 (Be2BO5H3)∞ 계면으로의 구조적 진화를 추적하였다.
• 비선형 광학 반응에 기여하는 궤도의 기여도를 규명하기 위해 SHG 가중 전하 밀도 분석을 수행하였으며, 주로 (BO3)3− 기초를 중심으로 분석하였다.
• 위상 일치 각도와 효과적 SHG 계수(deff)를 시뮬레이션하기 위해 굴절률(no 및 ne)에 대해 셀름라이어 분산 방정식을拟能하였다.
• c축 방향의 기계적 안정성과 성장 가능성을 평가하기 위해 다층 간 결합 에너지와 전하 이동을 계산하였다.
• 베르보라이트의 1T, 2T, 2H 다형체 간의 대비를 통해 대칭에 따른 NLO 활성도의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베르보라이트에서 KBBF의 (Be2BO3F2)∞ 계면에서 (Be2BO5H3)∞ 계면으로의 구조적 진화가 향상된 DUV NLO 성능을 유도할 수 있는가?
• RQ2 1T 다형체의 베르보라이트가 실용적인 DUV 위상 일치를 위해 충분한 광학 금역간격(>6.3 eV), 굴절률 이질성(>0.08), 효과적 SHG(deff ≥ 0.39 pm/V)를 갖는가?
• RQ3 1T-베르보라이트는 177.3 nm 및 193.7 nm에서 KBBF와 유사하거나 뛰어난 deff를 갖는 위상 일치된 두 번째 고조파 생성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 1T-베르보라이트의 다층 간 결합력은 KBBF에 비해 강도와 성장 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 2T 및 2H 다형체의 베르보라이트는 금역간격과 굴절률 이질성이 유사한데도 불구하고 왜 SHG가 감소하는가?

주요 결과

• 1T-베르보라이트 다형체는 약 8.2 eV의 넓은 금역간격을 보이며, DUV NLO의 핵심 조건인 Eg ≥ 6.3 eV를 충족한다.
• 강한 두 번째 고조파 생성(SHG) 계수 d16 ≈ 0.52 pm/V를 나타내며, KBBF의 d16 ≈ 0.45 pm/V와 유사하다.
• 1T-베르보라이트의 굴절률 이질성은 Δn ≈ 0.087로, DUV 위상 일치를 위한 기준치 0.08를 초과한다.
• 위상 일치 시뮬레이션 결과, 1T-베르보라이트는 177.3 nm에서 위상 일치 각도 θPM ≈ 79.4°를 달성하며, KBBF의 77.5°보다 略히 높다.
• 193.7 nm에서 1T-베르보라이트의 효과적 SHG 계수(deff)는 KBBF보다 1.3배 높아, 더 높은 변환 효율을 나타낸다.
• 1T-베르보라이트의 다층 간 결합 에너지와 전하 이동은 KBBF보다 강하며, 이는 더 높은 기계적 안정성과 c축 방향으로 큰 단일 결정 성장 가능성을 시사한다.