L-半胱氨酸盐酸盐一水物——一种非线性光学材料

背景

近年来，由于具有良好的二阶非线性光学材料在电光和光电器件中的潜在应用，人们对合成非线性光学材料非常感兴趣。非线性光学(NLO)是当前研究的前沿，因为它为电信、信号处理和光互连等领域的新兴技术提供了频移、光调制、光开关、光逻辑和光存储等关键功能。由于偶极性质，氨基酸被认为具有很高的NLO应用潜力。L-半胱氨酸在自然中普遍存在，其衍生物L-半胱氨酸盐酸盐一水物为结晶状，性质较稳定，且保留了氨基酸的偶极性质，因此研究人员在探索它作为光学材料的应用。

形成单晶

用慢蒸发法将L-半胱氨酸盐酸盐一水物在双蒸馏水中溶解，形成单晶。用磁力搅拌器连续搅拌5小时，使溶液在整个体积上得到均匀的混合物。将制备的溶液过滤，在室温下保持原状。由于自发成核，获得了具有良好透明度的微小种子晶体。其中，无缺陷晶种悬浮于母液中，在室温下蒸发。在成核和生长过程完成后，由于单体在母溶液的种子晶体位置聚集，获得了大尺寸的单晶。在35天的生长期内可通过缓慢蒸发收获晶体尺寸约为 20 × 11 × 8 mm³ 的 L-半胱氨酸盐酸盐一水物单晶。

表征

V. Azeezaa 等人^[1]采用慢蒸发法制备了L-半胱氨酸盐酸盐一水物单晶。单晶XRD和粉末XRD证实了晶格参数。紫外可见研究和红外光谱研究揭示了该材料的透射范围和官能团。带隙值为 4.80 eV。计算了折射率、消光系数和磁化率等光学常数来分析其光学特性。维氏硬度试验证实该材料属于软质材料。TGA和DTA分析表明，该晶体的热稳定性可达108.7 ℃。测量了不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。NLO研究证实了材料的SHG特性，发现它是KDP的1.25倍。由于该材料具有较好的光学和介电性能，因此表现出显著的NLO行为。

G. Bhagavannarayana 等人^[2]利用单向Sankaranarayanan-Ramasamy方法首次成功地生长出了一种长~ 60 mm，直径20 mm的L-半胱氨酸盐酸盐一水物单晶，并通过观察二次谐波产生(SHG)发现它是一种非线性光学材料。晶体结构通过单晶和粉末x射线衍射分析得到了证实。利用傅里叶变换-拉曼技术对其振动模式和官能团进行了研究。生长出来的晶体被发现是高度透明的。用高分辨率x射线衍射法对晶体的完美性进行了评价，发现生长的晶体不存在结构晶界等宏观缺陷。相对SHG效率和激光损伤阈值分别是磷酸二氢钾晶体的1.2 倍和5.5倍。在100 Hz至5 MHz的宽频率范围内，用阻抗分析仪测量了介电常数、介电损耗和交流电导率。发现介电常数在整个频率范围内是稳定的，并且介电损耗非常小，使该材料适用于器件应用。本研究表明，由于标题化合物可以沿着预定的方向生长到理想的尺寸，并且它是一种良好的非线性光学材料，具有先决的光学和介电性能，是光子或光电应用的良好候选者。

参考文献

[1] Growth and Characterization of Non-Linear Optical Single Crystal: L-cysteine Hydrochloride Monohydrate. doi:10.12693/APhysPolA.128.423

[2] Unidirectional growth of L-cysteine hydrochloride monohydrate: first time observation as nonlinear optical material and its characterization. doi:10.1107/S0021889810016870