非线性光学材料L-异亮氨酸氢马来酸半水合物的生长与多维度表征及其技术应用研究

本研究通过慢蒸发技术成功生长出新型非线性光学材料L-异亮氨酸氢马来酸半水合物（LIHMH），单晶XRD证实其属于单斜晶系（空间群P21），紫外-可见光谱显示宽禁带特性（402.2 nm蓝光发射），二次谐波生成（SHG）效率达KDP的0.9倍，为光电子器件开发提供高热稳定性（130°C）候选材料。

　　

在光子学和光电子技术快速发展的今天，非线性光学（Nonlinear Optical, NLO）材料因其在激光频率转换、光信号处理和量子通信中的关键作用而备受关注。然而，传统无机NLO材料往往面临制备成本高、机械柔性差等问题，而有机晶体又普遍存在热稳定性不足的缺陷。这一矛盾促使科学家将目光投向氨基酸衍生物——这类材料兼具分子可设计性和生物相容性，但如何通过晶体工程调控其非线性光学响应仍是重大挑战。

针对这一科学难题，来自Rajalakshmi工程学院的A. Vichithra团队与安娜大学合作者，在《Journal of Molecular Structure》发表了关于L-异亮氨酸氢马来酸半水合物（L-isoleucinium hydrogen maleate hemihydrate, LIHMH）的系统研究。该工作通过慢蒸发结晶技术获得高质量单晶，综合运用单晶X射线衍射（XRD）、粉末XRD（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征手段，首次揭示了该材料在单斜晶系P2₁空间群中的精确原子排列（晶胞参数a=11.51 ?，β=95.74°），并通过分子静电势（Molecular Electrostatic Potential, MEP）图谱证实其强氢键网络对非线性光学活性的贡献。

关键技术方法包括：采用慢蒸发法生长单晶；使用MoKα辐射（λ=0.71073 ?）进行单晶XRD结构解析；通过Kurtz-Perry粉末法测定二次谐波生成效率；结合紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱和光致发光谱分析光学特性；利用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性。

4.1 Single crystal XRD分析
单晶XRD数据显示LIHMH属于非中心对称的单斜晶系，空间群P2₁（国际晶体学表编号4），这种结构对称性是其产生二次谐波信号的先决条件。精修后的晶胞体积V=1322.78 ?³，分子间通过O-H···O和N-H···O氢键形成三维网络，这种特殊排列导致分子偶极矩的协同增强。

光学性能研究
UV-Vis-NIR光谱显示LIHMH在可见光区（400-800 nm）具有>80%的高透过率，光学带隙计算表明其适合紫外光转换应用。光致发光谱中402.2 nm处的强蓝光发射峰（半高宽仅15 nm）提示其在LED领域的应用潜力，这与HOMO-LUMO能隙（通过密度泛函理论计算为4.12 eV）高度吻合。

热力学与非线性光学特性
TGA曲线显示材料在130°C前无质量损失，DSC吸热峰对应晶体熔点而非分解温度，这种热稳定性优于多数有机NLO材料。SHG测试采用1064 nm Nd:YAG激光激发，测得效率为磷酸二氢钾（KDP）的0.9倍，归因于分子中咪唑环与马来酸基团的协同电荷转移效应。

结论与展望
该研究首次报道了LIHMH晶体的结构-性能关系，其非中心对称堆积模式与可控氢键网络为设计新型有机NLO材料提供了范式。特别是0.9倍KDP的SHG效率结合130°C热稳定性，使其在小型化激光器件中具有竞争优势。Hirshfeld表面分析揭示的分子间相互作用指纹图谱，为后续分子修饰指明了方向。这项工作不仅丰富了氨基酸基NLO材料数据库，更为开发柔性光电子器件提供了新思路。