提升短波紫外（200-280nm）晶体双折射率的关键在于合理选择微观结构单元及设计空间排列。氟化硼酸盐因其优异的光学性能而成为短波紫外双折射材料的首选。

对于阳离子而言，碱金属/碱土金属阳离子以及NH₄⁺离子，由于不具备d-d或f-f电子跃迁，能够有效避免截止边的红移。因此，这些阳离子是短波紫外甚至深紫外（<200 nm）区域应用的首选。然而，它们对双折射的贡献很小，限制了可达到的最大双折射（通常Δn＜0.15@1064nm）。另一方面，引入具有孤对电子的阳离子或具有d⁰和d¹⁰轨道的过渡金属，可以诱导显著的各向异性极化率。这成为调控和放大双折射性能的有效方法。然而，这些增强极化的机制本身会限制短波紫外光的透过性能，导致截止边发生显著红移，从而限制了其在短波紫外区的应用。

晶格中功能单元的空间排列也至关重要。当具有双折射活性的单元共面或共轴排列时，其双折射可以显著增强。基于离子键的结构模型具有根本性的局限性。大多数无机化合物的结构通常是由高配位数的金属阳离子通过离子键与阴离子基团结合而成。由于离子键是非方向性的，在构建扩展结构时很难精确控制光学各向异性单元的平行排列。如何通过结构设计实现功能单元的有序排列，从而在短波紫外大双折射材料领域取得突破，是亟待解决的关键问题。

氢键的方向性组装为实现高光学各向异性所需的最佳分子排列提供了一种有前景的调控策略。研究团队将高电负性的F原子引入B-O骨架中，构建了具有较大光学各向异性的二维阴离子层²[B₇O₁₀F₂]_∞，并通过氢键诱导的层内电荷平衡策略，将质子化的平面单元[C₃N₂H₅]整合到氟化硼酸盐层中，形成一种独特的单层堆积排列的一种新型无金属氟化硼酸盐C₃N₂H₅B₇O₁₀F₂。C₃N₂H₅B₇O₁₀F₂近乎共面排列，从而在不同方向上（即面内与面外）最大化光学各向异性。第一性原理计算表明，该化合物具有较大的双折射率（0.223@546 nm）和宽的带隙（6.2 eV）。据我们所知，该化合物是首个包含新型[B₇O₁₂F₂]基本构筑单元的结构。这项工作提出了一种增强氟化硼酸盐光学各向异性的全新策略，为紫外/深紫外光学晶体的设计建立了新的范式。

该研究论文以[C₃N₂H₅]B₇O₁₀F₂: Demonstrating a New Hydrogen-Bond-Induced Intralayer Charge-Balanced Structure Model with Large Birefringence为题，发表在Small期刊上。晶体材料研究中心张峰研究员和潘世烈研究员为通讯作者，博士研究生申春杰为第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项及自治区项目的资助。

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图1：将[C₃N₂H₅]平面单元整合到[B-O/F]骨架中实现双折射率的提升