高质量芘单晶的垂直布里奇曼生长及多面光学表征在非线性光学应用中的研究

本研究采用垂直布里奇曼技术(VBT)成功生长高质量芘单晶，通过SCXRD/PXRD证实晶体结构完整性(HRXRD显示15.39弧秒半高宽)，测得3.08eV光学带隙及优异非线性光学性能(χ3=1.040×10?7esu)，为X射线探测器和非线性光学器件开发提供新型材料基础。

　　

在光电材料领域，有机单晶因其独特的电荷传输特性成为研究热点，其中芘（Pyrene）作为多环芳烃代表，其非线性光学性能的开发面临晶体质量与生长控制的重大挑战。传统溶液法生长的芘晶体存在尺寸受限、缺陷率高的问题，而物理气相传输法又难以实现批量制备。这些技术瓶颈严重制约了芘晶体在光通信、激光技术等领域的实际应用。

位于印度金奈的Sri Sivasubramaniya Nadar工程学院（SSN College of Engineering）研究团队在《Materials Science and Engineering: R: Reports》发表的研究中，通过改良垂直布里奇曼技术(Vertical Bridgman Technique, VBT)成功制备出高质量芘单晶。研究人员采用定制设计的硼硅酸盐玻璃安瓿，结合精确的温度梯度控制(0.5°C/cm)，实现了缺陷密度低于10⁴ cm^?2的晶体生长。关键技术包括：改良安瓿曲率设计抑制多核形成、高纯化处理(三次升华提纯)、实时热成像监控生长界面，以及综合运用单晶X射线衍射(SC-XRD)、高分辨X射线衍射(HRXRD)和Z扫描技术进行系统表征。

【Ampoule design】创新性设计的安瓿具有特殊弯曲底部结构，通过有限元模拟验证其能有效降低固液界面应变，实验证实该设计使晶体孪晶率降低78%。

【Material purification】采用三级梯度升华纯化工艺，使原料纯度从98%提升至99.97%，差示扫描量热法(DSC)显示杂质峰完全消失。

【Single crystal growth】优化后的VBT参数(生长速率0.8mm/h，轴向梯度3°C/cm)获得25×8×6mm³单晶，HRXRD摇摆曲线半高宽仅15.39弧秒，达到近完美晶体标准。

【Structural characterization】SC-XRD解析显示晶体属单斜晶系，空间群P2₁/c，晶胞参数a=13.724?，分子平面间π-π堆叠距离3.52?，为电荷传输提供理想通道。

【Optical properties】紫外-可见光谱显示400nm处锐利截止边，500-1100nm波段透光率>85%，Z扫描测得三阶非线性极化率χ⁽³⁾达10^-7esu量级，优于多数有机晶体。

【Thermal analysis】TGA-DTA联用揭示154°C的明确熔点，热分解起始温度287°C，表明器件加工温度窗口达133°C，满足实际应用需求。

研究结论指出，VBT生长的芘单晶具有三项突破性优势：(1)非线性折射率n₂=2.288×10^?12 m²/W，适用于全光开关器件；(2)X射线诱导发光在476-498nm呈现三重发射峰，可作为辐射探测新材料；(3)晶体在10⁶ W/cm²激光照射下保持稳定，损伤阈值比溶液法晶体提高3个数量级。这项工作为有机光电材料提供了可规模化的晶体生长方案，其建立的"安瓿设计-纯化工艺-生长参数"三位一体调控策略，对萘、蒽等稠环芳烃晶体生长具有普适指导意义。