一、多金属硼酸盐的分类
迄今为止,人们已经合成了碱金属、碱土金属、两性金属及过渡金属等之间形成的几个系列的混合硼酸盐化合物。
1、碱金属-碱金属混合硼酸盐化合物
1995年Yusuke Mori等报道的新型紫外非线性光学晶体-硼酸铯锂CLBO(CsLiB6O10)就具有大尺寸、高抗损伤、生产周期短、几乎不潮解的优点。CLBO晶体适用于Nd :YAG激光的二至五倍频的频率变换。在现有的硼酸盐非线性光学晶体中,CLBO晶体的生长习性最好,采用顶部籽晶溶液法,易于生长出大体块单晶体,对核聚变装置器件有应用前景。另外,CLBO晶体有望成为深微米光刻的新光源材料。
已经报道的碱金属-碱金属混合物硼酸盐化合物还有: NaRb[B4O5(OH)4]2·4H2O,NaCs[B4O5(OH)4]2·4H2O,LiNaB4O7,LiKB4O7, LiRbB4O7,Cs2Na2B10O17,Cs2K2B10O17,Na0.33K1.67[B4O5(OH)4]2·3H2O。
2、碱金属-碱土金属混合硼酸盐化合物
由文献可以看出,在多金属硼酸盐中已经发现了许多优秀的光学晶体,还可能存在许多未被发现的性能更好的功能材料。尤其是碱金属与碱土金属硼酸盐体系,不仅可能存在优秀的非线性光学材料、双折射材料,还可能存在较好的荧光材料,如Li14Be5B(BO3)9,Ba2LiB5O10,LiSr4B3O9。此外,用稀土离子进行掺杂,取代晶格中碱土金属的位置,则某些硼酸盐可能出现较好的荧光效应。
已经报道了的碱金属-碱土金属混合硼酸盐化合物有LiMgBO3, BaNaBO3,CaNa3B509,CaNa3B5010,KSr4B309,NaSr4B309,NaBa4B309,LiCaBO3, Rb2Ca[B4O5(OH)4·28H2O,Rb2Sr[B4O5(OH)4]·28H2O,Cs2Ca[B4O5(OH)4]2·8H2O,K2Mg[B6O7(OH)6]2·4H2O, K2Ca[B4O5(OH)4]·8H2O。
3、碱土金属-碱土金属混合硼酸盐化合物
为克服BBO、K2Be2B2F2(KBBF)存在的缺点,陈创天等发展了一个新的真空紫外区非线性光学晶体材料Sr2Be2B2O7(SBBO),它保持了甚至超过BBO具有的有效倍频系数的优点,而且还将吸收边延伸到150~160nm,开拓了该区的非线性光学应用。
已见报道的碱土金属-碱土金属混合硼酸盐化合物有BaBe(BO3)2,CaBeB2O3,SrBe2(BO3)2,Ba0.87Sr3.13B14O25。
4、碱金属-过渡金属混合硼酸盐化合物
1983年,Mascetti等合成了Na3Nd2(BO3)3晶体,属正交晶系。由于Nd3+(r=0.98 )和Sm3+(r=0.96 )的离子半径大小接近,张国春等在2002年采用高温固相法合成了Na3Sm2(BO3)3(NSBO)晶体,它是一种非线性光学晶体。
已见报道的碱金属-过渡金属混合硼酸盐化合物有Li3Pr2(BO3)3,Li6Eu(BO3)3,Na3La9O3(BO3)8,Li6Y(BO3)3,Na3La9O3(BO3)8,Li3Gd(BO3)2,Rb2CO[B6O7(OH)] ·24H2O,Na6Co[B6O7(OH)6]6·26H2O,K2CO[B6O7(OH)6]·24H2O,Na2Ln2(BO3)2O(Ln=Sm,Eu,Gd),Li6RE(BO3)3(RE=Gd,Y),Na3Ln(BO3)2(Ln=La,Nd),LiLn6O5(BO3)3(Ln=Pr~Tm)。
5、碱土金属-过渡金属混合硼酸盐化合物
非线性光学晶体硼酸氧钙钆GdCa4O(BO3)3(简称GdCOB)自1996年问世以来,有关ReCaO(BO3)3系列(Re:稀土)晶体的研究一直受到瞩目,它是非线性光学晶体,能够产生倍频效应。如果掺入Nd、Yb等稀土元素,可以实现自倍频效应。近年来,随着YCOB、GdCOB等一类多金属硼酸盐非线性光学晶体的发现,这类多金属硼酸盐晶体成了一个研究热点。最近发现了另一类型的多金属硼酸盐CaLa2B10O19(LCB)晶体。LCB晶体以其具有较大的非线性光学效应,并且物化性能稳定,在蓝绿激光变频方面有良好的应用前景而倍受关注。
已见报道的碱土金属-过渡金属混合硼酸盐化合物有AgSrB7O12,BaCuB2O5,BaZn2(BO3)2,Sr2Cu(B03)2,La2CaB10O19,Ca3Y2(BO3)4,Sr3Y(BO3)3,Nd2Sr3(BO3)4,Ba3Ln(BO3)3(Ln=La~Lu,Y)。
6、两性金属-(碱,碱土,过渡)金属混合硼酸盐化合物
硼酸盐倍频晶体中具有代表性的是硼酸铝钇(YAlB3O12),晶体的倍频系数一般以ADP晶体(NH4H2PO4)的系数为标准来测量。硼酸铝钇晶体的倍频系数是ADP晶体的2倍。YAlB3O12晶体硬度高,物理化学性能稳定,不易潮解,可以生长出质量很高的晶体,是一类比较独特的晶体材料。自60年代初合成该类晶体以来,人们用各种方法不断探索生长质量优良的晶体,并通过掺入稀土元素获得了激光自倍频性能。
已见报道的碱土——过渡金属硼酸盐有K2AlB2O7,SrAl2B2O7,TbAl3(BO3)4,Na2Al2O(BO3)2,(Tm,Yb)Al3(BO3)4,NdAl3(BO3)4,PrAl3(BO3)4,K2[Ge(B4O9)]·2H2O。
7、其它多金属混合硼酸盐化合物
陈创天等以阴离子集团理论为指导,运用分子工程学的方法,发现了Kbe2(BO3)F2(KBBF)新晶体。KBBF晶体具有优良的非线性光学性能,已经实现184.7nm波长的激光倍频输出,并可能实现ND:YGA激光器六倍频波长177.3nm激光输出,是目前激光器六倍频输出波长最短的晶体之一。但是,KBBF有强烈的层状习性,晶体生长十分困难。晶体生长技术的突破已经成为限制KBBF深入研究和应用的瓶颈。因此,研究KBBF的合成和生长还需要科学研究者做出更大的努力。
已见报道的其它多金属硼酸盐有TbFe3(BO3)4,CeS(BO3)4,TlTaB2O6,
GdFe3(BO3)4,Sr6NdSc(BO3)6,BiAlGa2(BO3)4,NaSr0.5Al2B2O7, NaCa0.5 Al2B2O7,Lu0.66La0.95Sc2.39(BO3)4,Y0.57La0.72Sc2.71(BO3)4,Ca3Gd2(1-x)Ln2x(BO3)4(Ln3+=Ce,Sm,Eu,Tb),RFe3(BO3)4(R=Y,Nd,Sm,Gd,Dy or Ho)。
二、前景和展望
多金属硼酸盐体系是功能晶体探索和研究内容十分丰富的材料体系。国内外学者在该体系晶体的应用方面已取得了突出成绩。在这些金属硼酸盐化合物中,绝大部分晶体用于非线性光学材料,还有少数具有巨大用途的化合物,如SrCu2(BO3)2可以对丙烯腈脱水制备丙烯酞胺的反应过程起催化作用;ZnCu2(BO3)2可以有效的加速合成气转变成乙醇的反应;另外,Cu2Al6B4O17也 有很好的催化活性。由此看见,多金属硼酸盐不仅可以在光学领域中有着广泛的应用,而且在其它领域也同样发挥着重要的作用。同时,也可能存在许多未被发现的 多金属硼酸盐,值得今后关注,这就要求国内外研究者还需要进行更加深入更加细微的研究多金属硼酸盐,以便发挥多金属硼酸盐更大的应用价值。