K4(HC3N3S3)2·的制作方法

k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物、晶体及其制法和用途
技术领域
1.本发明涉及一种k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物、k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体的制备方法和k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体用于制作光学器件的用途。
技术背景
2.非线性光学即二次倍频响应(shg)和线性光学特性即双折射(δn)是两种应用广泛的重要光学特性。非线性光学效应是指当一束激光通过一块非线性光学晶体时，该光束的频率将发生变化的现象，它可应用于医疗、信息存储、精密微制造等领域。而双折射是指一束光投射到晶体表面上产生两束折射光的现象，它可应用于平板显示、医疗诊断、光纤通信等领域。由于这两种性能对晶体结构的要求相对不同，因此在同一晶体中实现大的双折射和强的shg响应是一个挑战。例如著名的非线性光学材料lib3o5表现出强烈的倍频响应(约3.1
×
kdp)，但它表现出很小的双折射(0.04@1064nm)，这限制了其非线性光学效应应用的光谱范围。
3.传统上，含有离域π共轭键的平面基团是非线性光学和双折射晶体的理想构建块。例如，kbe2bo3f2晶体由于其约1.2
×
kh2po4(kdp)的适中非线性光学效应和由其孤立的π共轭(bo3)
3-三角形产生的高达0.07的大双折射而成为唯一可用的深紫外非线性光学晶体。α-bab2o4(α-bbo)和β-bbo分别为商用双折射晶体和非线性光学晶体。两者均由具有较强的离域π共轭键[b3o6]
3-环组成，该基团是由(bo3)
3-基团凝聚而成，比由孤立(bo3)
3-三角形组成的硼酸盐具有更大的双折射率和非线性光学效应。2014年meyer等合成了含[c3n3o3]
3-环的无机金属氰尿酸盐，其等电性与[b3o6]
3-环高度相似(参见《angew.chem.int.ed.》，vol 53,14260-14263，2014)。随后，获得了一系列具有更强倍频响应和更大双折射的金属氰尿酸盐。因此，引入平面π共轭环是设计和合成新型非线性光学晶体或双折射晶体的有效方法。
[0004]
微观[c3n3s3]
3-环在结构上与[b3o6]
3-和[c3n3o3]
3-环相似，甚至可以认为是[c3n3o3]
3-环的硫代物。最近，wang等人通过第一性原理计算发现cs4(hc3n3s3)2
·
4h2o具有较大的双折射，但由于其中心对称的晶体结构，不具有非线性光学活性。因此，探索发现全新的含[h
3-x
c3n3s3]
x-环的化合物具有很大的潜力，甚至可以将其作为一个双功能晶体材料应用在非线性和线性光学领域。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种化学式为k4(hc3n3s3)2·
h2o的化合物、制备方法、晶体的制备方法及k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体的用途。本发明的k4(hc3n3s3)2·
h2o的晶体具有较大的非线性光学效应和较大的双折射率，物理化学性能稳定、机械性能好、易于加工等优点。
[0006]
本发明的技术方案如下：
[0007]
(1)k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物，所述的k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的化学式为k4(hc3n3s3)2·
h2o，分子量为524.91。
[0008]
(2)k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体，所述的k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体不含对称中心，属于正交晶系p21212空间群，晶胞参数为2空间群，晶胞参数为α＝90
°
，β＝90
°
，γ＝90
°
，z＝2，该晶体的基本结构是孤立的(hc3n3s3)
2-基团、k

阳离子和h2o构成的。
[0009]
(3)k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体的制备方法，采用水溶液蒸发法，具体包括如下步骤：
[0010]
a、将含k

化合物和含(hc3n3s3)
2-化合物以化学计量比均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入去离子水配制成饱和溶液，加热至30-60℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0011]
b、将步骤a中的烧杯用设有多个通孔的称量纸或保鲜膜封口，接着在恒温干燥箱中静置8-13天直至晶体颗粒大小不再明显变化，得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0012]
以下是几个典型的反应方程式：
[0013]
(a)2h3c3n3s3 2k2co3＝k4(hc3n3s3)2·
h2o h2o 2co2↑
[0014]
(b)2h3c3n3s3 4koh＝k4(hc3n3s3)2·
h2o 3h2o
[0015]
进一步地，采用溶液法生长该晶体：
[0016]
c、挑选步骤b中得到的干净无杂质的k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体作为籽晶；
[0017]
d、将按照化学计量比的含k

化合物和含(hc3n3s3)
2-化合物的混合物加去离子水配制成饱和溶液，然后在45-65℃下恒温24-36h，接着将步骤c挑选的籽晶悬挂在饱和溶液中并在40-60℃下恒温1-2天，然后在降温速率为0.3-1℃/天下的烘箱中静置生长10-30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0018]
晶体后处理及光学加工方法如下：晶体生长结束后，提起晶体，将晶体停留在液面以上，但仍在瓶中退火，以0.5℃/小时的速率降温至室温；根据晶体的结晶学数据，将晶体毛坯定向，按所需角度、截面尺寸和厚度切割晶体，将晶体通光面抛光，即可作为非线性光学器件或光学起偏器使用。
[0019]
采用上述方法可获得尺寸为毫米级的k4(hc3n3s3)2·
h2o单晶；使用大尺寸坩埚，并延长生长周期，则可获得相应较大尺寸的晶体。
[0020]
进一步地，所述的含(hc3n3s3)
2-化合物为h3c3n3s3，所述的含k

化合物为k2co3或koh。
[0021]
(4)所述的k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体作为非线性光学器件使用。所述k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体制备的非线性光学器件包含将至少一束入射基频光通过至少一块k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体后，产生至少一束频率不同于入射基频光的相干光的装置。
[0022]
本发明所述k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体，该为双轴晶体，紫外截止边为406nm，其倍频效应约为kh2po4(kdp)的10.8倍，双折射率为0.402@550nm。
[0023]
(5)本方法所述k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体制备的光学起偏器为格兰型棱镜。
[0024]
较之前的现有技术，本发明有如下有益效果：晶体具有生长速度较快、原料成本低、生长耗能低、易于获得较大尺寸晶体等优点；所获得的晶体具有较大的非线性光学效应和较大的双折射率，物理化学性能稳定、机械性能好、易于加工等优点；该晶体可用于制作非线性光学器件和双折射功能器件，在光学和通讯领域有重要应用，可用于若干军事和民用高科技领域，例如制作相位延迟器件、偏振分束棱镜、激光致盲武器、光纤通讯和光盘记
录等。
附图说明
[0025]
图1为本发明k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体制成的一种典型的非线性光学器件的工作原理图，其中1是激光器，2是入射激光束，3是经晶体后处理和光学加工的k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体，4是所产生的激光束，5是滤光片。
[0026]
图2为本发明k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体制成的格兰棱镜的示意图。
[0027]
图3为本发明的k4(hc3n3s3)2·
h2o多晶粉末x射线衍射图谱与基于k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体结构模拟的x射线衍射图谱。
[0028]
图4为本发明的k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体结构图。
具体实施方式
[0029]
下面结合实施例及附图进一步描述本发明。本领域技术人员知晓，下述实施例不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化都在本发明的保护范围之内。
[0030]
实施例1-6是关于粉末状k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的制备。
[0031]
实施例1
[0032]
采用水溶液蒸发法，反应方程式如下：
[0033]
2h3c3n3s3 2k2co3＝k4(hc3n3s3)2·
h2o h2o 2co2↑
[0034]
上述三种试剂投料量：h3c3n3s35.319克(0.03mol)、k2co34.146克(0.03mol)
[0035]
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入烧杯中，加入30ml的去离子水，然后加热至40℃搅拌至完全溶解，将不溶物过滤去除，随后用称量纸或保鲜膜封口，并在称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，最后将其放入40℃的恒温干燥箱中，静置13天，直到水分蒸干，析出小晶体，然后将得到的小晶体研磨即可得到k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的纯相。
[0036]
如图3所示，试验所得的粉末x射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
[0037]
实施例2
[0038]
采用水溶液蒸发法，反应方程式如下：
[0039]
2h3c3n3s3 2k2co3＝k4(hc3n3s3)2·
h2o h2o 2co2↑
[0040]
上述三种试剂投料量：h3c3n3s37.092克(0.04mol)、k2co35.528克(0.04mol)
[0041]
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入烧杯中，加入45ml的去离子水，然后加热至50℃搅拌至完全溶解，将不溶物过滤去除，随后用称量纸或保鲜膜封口，并在称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，最后将其放入50℃的恒温干燥箱中，静置10天，直到水分蒸干，析出小晶体，然后将得到的小晶体研磨即可得到k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的纯相。
[0042]
如图3所示，试验所得的粉末x射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
[0043]
实施例3
[0044]
采用水溶液蒸发法，反应方程式如下：
[0045]
2h3c3n3s3 2k2co3＝k4(hc3n3s3)2·
h2o h2o 2co2↑
[0046]
上述三种试剂投料量：h3c3n3s38.865克(0.05mol)、k2co36.91克(0.05mol)
[0047]
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入烧杯中，加入60ml的去离子水，然后加热至60℃搅拌至完全溶解，将不溶物过滤去除，随后用称量纸或保鲜膜封口，并在称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，最后将其放入60℃的恒温干燥箱中，静置8天，直到水分蒸干，析出小晶体，然后将得到的小晶体研磨即可得到k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的纯相。
[0048]
如图3所示，试验所得的粉末x射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
[0049]
实施例4
[0050]
采用水溶液蒸发法，反应方程式如下：
[0051]
2h3c3n3s3 4koh＝k4(hc3n3s3)2·
h2o 3h2o
[0052]
上述三种试剂投料量：h3c3n3s35.319克(0.03mol)、koh 3.366克(0.06mol)
[0053]
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入烧杯中，加入30ml的去离子水，然后加热至40℃搅拌至完全溶解，将不溶物过滤去除，随后用称量纸或保鲜膜封口，并在称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，最后将其放入40℃的恒温干燥箱中，静置13天，直到水分蒸干，析出小晶体，然后将得到的小晶体研磨即可得到k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的纯相。
[0054]
如图3所示，试验所得的粉末x射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
[0055]
实施例5
[0056]
采用水溶液蒸发法，反应方程式如下：
[0057]
2h3c3n3s3 4koh＝k4(hc3n3s3)2·
h2o 3h2o
[0058]
上述三种试剂投料量：h3c3n3s37.092克(0.04mol)、koh 4.488克(0.08mol)
[0059]
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入烧杯中，加入45ml的去离子水，然后加热至50℃搅拌至完全溶解，将不溶物过滤去除，随后用称量纸或保鲜膜封口，并在称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，最后将其放入50℃的恒温干燥箱中，静置10天，直到水分蒸干，析出小晶体，然后将得到的小晶体研磨即可得到k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的纯相。
[0060]
如图3所示，试验所得的粉末x射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
[0061]
实施例6
[0062]
采用水溶液蒸发法，反应方程式如下：
[0063]
2h3c3n3s3 4koh＝k4(hc3n3s3)2·
h2o 3h2o
[0064]
上述三种试剂投料量：h3c3n3s38.865克(0.05mol)、koh 5.61克(0.1mol)
[0065]
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入烧杯中，加入60ml的去离子水，然后加热至60℃搅拌至完全溶解，将不溶物过滤去除，随后用称量纸或保鲜膜封口，并在称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，最后将其放入60℃的恒温干燥箱中，静置8天，直到水分蒸干，析出小晶体，然后将得到的小晶体研磨即可得到k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物的纯相。
[0066]
如图3所示，试验所得的粉末x射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
[0067]
实施例7-12是制备k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体
[0068]
实施例7
[0069]
溶液法包括如下步骤：
[0070]
a、将h3c3n3s35.319克(0.03mol)和k2co34.146克(0.03mol)均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入30ml的去离子水，加热至40℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0071]
b、将步骤a中的烧杯用称量纸或保鲜膜封口，并称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，在40℃恒温干燥箱中静置13天；
[0072]
c、待步骤b中的溶液在烧杯底部长出晶体颗粒，直至晶体颗粒大小不再明显变化，生长结束，得到籽晶；
[0073]
d、重新配置溶液：按照步骤a的比例扩大5倍配制成饱和溶液，然后用滤纸对生长溶液进行过滤并在广口瓶中进行过热(45℃)处理24h；然后将广口瓶放入生长温度设置在40℃的水浴缸中，在晶体生长过程中水浴缸的温度逐渐降低；
[0074]
e、将步骤b中得到的籽晶悬挂在步骤d配置的溶液中，籽晶微溶后在广口瓶中恒温生长1天，籽晶恢复外形，随后逐渐降温，降温速率为0.3℃/天，静置生长30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0075]
实施例8
[0076]
溶液法包括如下步骤：
[0077]
a、将h3c3n3s37.092克(0.04mol)、k2co35.528克(0.04mol)均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入45ml的去离子水，加热至50℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0078]
b、将步骤a中的烧杯用称量纸或保鲜膜封口，并称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，在50℃恒温干燥箱中静置10天；
[0079]
c、待步骤b中的溶液在烧杯底部长出晶体颗粒，直至晶体颗粒大小不再明显变化，生长结束，得到籽晶；
[0080]
d、重新配置溶液：按照步骤a的比例扩大5倍配制成饱和溶液，然后用滤纸对生长溶液进行过滤并在广口瓶中进行过热(55℃)处理24h；然后将广口瓶放入生长温度设置在50℃的水浴缸中，在晶体生长过程中水浴缸的温度逐渐降低；
[0081]
e、将步骤b中得到的籽晶悬挂在步骤d配置的溶液中，籽晶微溶后在广口瓶中恒温生长2天，籽晶恢复外形，随后逐渐降温，降温速率为0.5℃/天，静置生长30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0082]
实施例9
[0083]
溶液法包括如下步骤：
[0084]
a、将h3c3n3s38.865克(0.05mol)、k2co36.91克(0.05mol)均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入60ml的去离子水，加热至60℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0085]
b、将步骤a中的烧杯用称量纸或保鲜膜封口，并称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，在60℃恒温干燥箱中静置8天；
[0086]
c、待步骤b中的溶液在烧杯底部长出晶体颗粒，直至晶体颗粒大小不再明显变化，生长结束，得到籽晶；
[0087]
d、重新配置溶液：按照步骤a的比例扩大5倍配制成饱和溶液，然后用滤纸对生长溶液进行过滤并在广口瓶中进行过热(65℃)处理24h；然后将广口瓶放入生长温度设置在60℃的水浴缸中，在晶体生长过程中水浴缸的温度逐渐降低；
[0088]
e、将步骤b中得到的籽晶悬挂在步骤d配置的溶液中，籽晶微溶后在广口瓶中恒温
生长1天，籽晶恢复外形，随后逐渐降温，降温速率为1℃/天，静置生长30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0089]
实施例10
[0090]
溶液法包括如下步骤：
[0091]
a、将h3c3n3s35.319克(0.03mol)、koh 3.366克(0.06mol)均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入30ml的去离子水，加热至40℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0092]
b、将步骤a中的烧杯用称量纸或保鲜膜封口，并称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，在40℃恒温干燥箱中静置13天；
[0093]
c、待步骤b中的溶液在烧杯底部长出晶体颗粒，直至晶体颗粒大小不再明显变化，生长结束，得到籽晶；
[0094]
d、重新配置溶液：按照步骤a的比例扩大5倍配制成饱和溶液，然后用滤纸对生长溶液进行过滤并在广口瓶中进行过热(45℃)处理24h；然后将广口瓶放入生长温度设置在40℃的水浴缸中，在晶体生长过程中水浴缸的温度逐渐降低；
[0095]
e、将步骤b中得到的籽晶悬挂在步骤d配置的溶液中，籽晶微溶后在广口瓶中恒温生长2天，籽晶恢复外形，随后逐渐降温，降温速率为0.3℃/天，静置生长30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0096]
实施例11
[0097]
溶液法包括如下步骤：
[0098]
a、将h3c3n3s37.092克(0.04mol)、koh 4.488克(0.08mol)均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入45ml的去离子水，加热至50℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0099]
b、将步骤a中的烧杯用称量纸或保鲜膜封口，并称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，在50℃恒温干燥箱中静置10天；
[0100]
c、待步骤b中的溶液在烧杯底部长出晶体颗粒，直至晶体颗粒大小不再明显变化，生长结束，得到籽晶；
[0101]
d、重新配置溶液：按照步骤a的比例扩大5倍配制成饱和溶液，然后用滤纸对生长溶液进行过滤并在广口瓶中进行过热(55℃)处理24h；然后将广口瓶放入生长温度设置在50℃的水浴缸中，在晶体生长过程中水浴缸的温度逐渐降低；
[0102]
e、将步骤b中得到的籽晶悬挂在步骤d配置的溶液中，籽晶微溶后在广口瓶中恒温生长1天，籽晶恢复外形，随后逐渐降温，降温速率为0.5℃/天，静置生长30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0103]
实施例12
[0104]
溶液法包括如下步骤：
[0105]
a、将h3c3n3s38.865克(0.05mol)、koh 5.61克(0.1mol)均匀混合后，放入洗干净的烧杯中，加入60ml的去离子水，加热至60℃并搅拌，使其充分混合溶解；
[0106]
b、将步骤a中的烧杯用称量纸或保鲜膜封口，并称量纸或保鲜膜上扎若干小孔，在60℃恒温干燥箱中静置10天；
[0107]
c、待步骤b中的溶液在烧杯底部长出晶体颗粒，直至晶体颗粒大小不再明显变化，生长结束，得到籽晶；
[0108]
d、重新配置溶液：按照步骤a的比例扩大5倍配制成饱和溶液，然后用滤纸对生长
溶液进行过滤并在广口瓶中进行过热(65℃)处理24h；然后将广口瓶放入生长温度设置在60℃的水浴缸中，在晶体生长过程中水浴缸的温度逐渐降低；
[0109]
e、将步骤b中得到的籽晶悬挂在步骤d配置的溶液中，籽晶微溶后在广口瓶中恒温生长2天，籽晶恢复外形，随后逐渐降温，降温速率为1℃/天，静置生长30天，即得到k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体。
[0110]
将实施例1所得的k4(hc3n3s3)2·
h2o化合物作漫反射光谱测试，该晶体的紫外吸收截止边为为406nm，同时对其非线性光学效应和双折率进行了测试，其倍频效应约为kh2po4(kdp)的10.8倍，双折射率为0.402@550nm；将实施例7-12任意一种的k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体，放在附图1所示装置标号为3的位置处，在室温下，用调q nd:yag激光器作基频光源，入射波长为1064nm的近红外光，输出波长为532nm的绿色激光。
[0111]
将实施例7-12任意一种的k4(hc3n3s3)2·
h2o光学晶体制作格兰型棱镜：将k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体，加工成两块相同的晶体棱镜，如图2所示，两块棱镜沿斜面通过空气薄层或折射率不同的光胶连接在一起，从而获得不同顶角切割的偏振棱镜，通过调节棱镜的顶角，能够实现晶体透光波段内的棱镜设计，当两束偏振方向相互垂直的光同时垂直于入射面入射时，经过第一块棱镜不发生偏折，在斜面上的入射角等于棱镜斜面与直角面的夹角(即棱镜的顶角)。选取合适的棱镜顶角使其中的一束偏振光在斜面上发生全反射，另外一束偏振光经过两块棱镜的连接层以及第二块棱镜后射出。
[0112]
附图1为对本发明采用k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体制作的非线性光学器件的简单说明。由激光器1发出光束2射入k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体3，所产生的出射光束4通过滤波片5，从而获得所需要的激光束。该非线性光学激光器可以是倍频发生器或上、下频率转换器或光参量振荡器等。
[0113]
附图2为对本发明采用k4(hc3n3s3)2·
h2o晶体制作的格兰型棱镜的简单说明。
[0114]
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，本领域技术人员应该明白，凡是依据上述原理及精神在本发明基础上的改进、替代，都应在本发明的保护范围之内。