Na2 SO4 单晶的光学折射特性与声子谱研究：从结构表征到红外反射谱的DFPT理论验证

研究人员针对Na2 SO4 晶体在辐射探测和能量存储中的应用需求，通过慢蒸发法生长单晶，结合PXRD、Obreimov浸没法及DFPT计算，首次系统测定其可见-紫外波段折射率（nX =1.4703, nY =1.4847, nZ =1.4767@500nm）并解析1120-1200cm?1 红外Reststrahlen带，为热释光剂量计设计提供关键光学参数。

　　

在辐射探测和能源存储领域，硫酸钠（Na₂
SO₄
）晶体因其独特的相变行为和离子导电性备受关注。作为热释光剂量计（TLD）的核心材料，其性能与光学参数和晶格振动特性密切相关。然而，长期以来缺乏对该晶体可见-紫外波段折射率系统测量，且红外区声子谱的理论计算与实验验证存在空白。尤其在高频介电常数ε_∞
的精确测定上，现有数据难以支撑其辐射能量转换机制的深入解析。

为解决这些问题，来自乌克兰和波兰联合研究团队在《Optical Materials》发表研究，采用慢蒸发法生长出9×8×15mm³
的高质量Na₂
SO₄
单晶（空间群Fddd，a=5.8568?）。通过PXRD确认结构后，结合Obreimov浸没法测定折射率，并利用同步辐射FTIR获取50-1300cm^?1
偏振反射谱，最终采用CASTEP软件完成密度泛函微扰理论（DFPT）计算。

关键技术方法
研究采用慢蒸发法生长单晶，通过粉末X射线衍射（PXRD）验证晶体结构；使用Obreimov浸没法测定400-750nm波段折射率；借助同步辐射光源测量偏振红外反射谱；基于CASTEP软件实施DFPT计算，采用GGA-PBE泛函和超软赝势处理电子-核相互作用。

研究结果

3.1 晶体结构
XRD证实晶体为单相正交结构（Fddd），晶胞参数与文献一致。理论计算显示Na-O键长在Z方向（0.253nm）显著大于X/Y方向（0.233nm），这解释了静态介电常数ε_0Z
=4.40785的各向异性特征。

3.2 折射特性
测得500nm波长下三轴折射率n_X
=1.4703、n_Y
=1.4847、n_Z
=1.4767，符合正光性晶体特征。Sellmeier公式拟合发现紫外振荡中心λ₀₁
≈90nm，折射率各向异性系数A_n-1
在510nm达峰值0.0307，比K₂
SO₄
高26%。

3.3 声子谱与红外反射
DFPT计算揭示声子谱含42个模式（3声学+39光学），高频带1042-1149cm^?1
对应SO₄
^2?
不对称伸缩振动（ν₃
）。实验首次确认1120-1200cm^?1
为Reststrahlen带，TO-LO分裂值80cm^?1
与理论预测（70cm^?1
）高度吻合。偏振反射谱显示ε_0Y
^(exp)
=6.142，离子贡献占比达64%。

结论与意义
该研究首次建立Na₂
SO₄
完整光学参数体系，证实其红外Reststrahlen效应源于S-O键的高离子性（IC=0.78）。ε₀
与ε_∞
的精确测定为TLD热-光转换效率优化提供理论依据，而声子谱计算框架可推广至其他硫酸盐晶体研究。M. Ya Rudysh等通过实验-理论双验证策略，为功能晶体材料设计树立了新范式。