新型伪一维∞[ScB6O18]链状结构硼酸盐Cd3Sc(BO3)3的合成与多模态表征研究

研究人员针对功能晶体材料的结构设计需求，通过高温溶液法成功合成新型混合稀土硼酸盐Cd3Sc(BO3)3。单晶X射线衍射揭示其具有独特的伪一维∞[ScB6O18]链状结构，结合热分析、IR/Raman光谱、UV-vis-NIR漫反射光谱及第一性原理计算，证实该材料兼具3.86 eV宽禁带特性和Eu3+掺杂发光潜力，为非线性光学(NLO)材料开发提供了新体系。

　　

在功能晶体材料领域，硼酸盐因其丰富的结构化学和优异的非线性光学(NLO)性能持续受到关注。随着激光技术的快速发展，对具有特殊结构基元的新型硼酸盐材料需求日益迫切。传统β-BaB₂O₄(BBO)和KBe₂BO₃F₂(KBBF)等材料虽已商业化，但其结构调控空间有限，且含剧毒铍元素。如何通过引入稀土金属和d¹⁰电子构型阳离子构建新型硼氧骨架，成为当前材料化学的研究热点。

铜仁学院的研究团队在《Polyhedron》发表的研究中，报道了首例具有伪一维链状结构的Cd₃Sc(BO₃)₃晶体。该工作创新性地将Sc³⁺的柔性配位特性与Cd²⁺的d¹⁰电子构型相结合，通过高温溶液法成功制备单晶样品。研究采用单晶X射线衍射(SCXRD)解析结构，结合热重-差热分析(TG-DTA)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱、紫外-可见-近红外漫反射光谱(UV-vis-NIR DRS)等多维度表征手段，并辅以第一性原理计算，系统揭示了材料的结构-性能关系。

晶体结构
SCXRD分析显示该晶体属于三方晶系R?3?空间群(No.148)，晶胞参数a=11.5902(19) ?，c=9.4230(14) ?。结构中的ScO₆八面体与BO₃平面三角形通过顶点连接，形成独特的∞[ScB₆O₁₈]一维链，Cd²⁺位于链间平衡电荷。值得注意的是，BO₃基团呈现118.3(4)°–121.7(4)°的键角畸变，这种非理想平面构型可能增强材料的非线性光学响应。

性能表征
热分析表明材料在800°C以下保持稳定，但存在不一致熔融特性。UV-vis-NIR DRS测得248 nm紫外吸收边，对应3.86 eV的直接带隙，这一宽禁带特性使其具有深紫外应用潜力。IR和Raman光谱在1200-1500 cm^-1区间出现ν₃振动峰，确证BO₃基团存在。Eu³⁺掺杂实验观察到特征红光发射，证明其作为发光基质材料的可行性。

理论计算
第一性原理计算揭示了价带顶主要由O 2p轨道贡献，导带底由Cd 5s/5p轨道主导，Sc 3d轨道参与形成中间能级，这种独特的电子结构解释了实验观测的光学带隙。

该研究不仅丰富了稀土硼酸盐的结构化学数据库，更通过"ScO₆-BO₃"结构单元的创新组合，为设计兼具宽禁带和非线性光学活性的材料提供了新思路。材料中可调控的一维链状结构，结合Eu³⁺掺杂展现的发光性能，使其在固态激光器、紫外探测器和荧光标记等领域具有应用前景。作者团队特别指出，这种结构设计策略可拓展至其他稀土-过渡金属硼酸盐体系，为后续功能材料开发指明方向。