对具有铁电和反铁电相的液晶混合物中的介电弛豫模式的研究

《Journal of Molecular Structure》：Investigations on the Dielectric Relaxation Modes in Liquid Crystalline Mixtures exhibiting Ferroelectric and Antiferroelectric Phases

正交反铁电液晶混合物介电特性研究揭示了SmA*相软模、SmC*相主导金stone模及SmCA*相PL/PH模的松弛机制，分析温度依赖性与频率谱特征，阐明相变中分子极化弛豫规律，为聚合物稳定化器件提供参考。

　　

Shantiram Nepal|Banani Das|Malay Kumar Das|Madhumita Das Sarkar|Magdalena Urbańska|Micha? Czerwiński

电子与通信工程系，Jyothy技术学院，班加罗尔，卡纳塔克邦560082，印度

摘要

研究了十四种高倾斜度正交锥形反铁电液晶混合物的介电特性，这些混合物分别表现出顺电（SmA*）、铁电（SmC*）和反铁电（SmC_A*）相。介电光谱分析显示：在SmA*相中存在由层状结构中的倾斜波动引起的“软模式”；在SmC*相中存在主要的“戈德斯通模式”，反映了分子偶极子围绕层状结构的集体旋转；在SmC_A*相中存在P_L和P_H模式，它们是由相邻层的同相和反相极化波动引起的。SmC*相具有最高的介电强度，因为其戈德斯通模式的振幅远大于P_H和P_L模式的振幅；与SmC_A*相中相邻层的极化相互抵消不同，在SmC*相中它们是叠加的。分析内容包括介电常数实部的温度依赖性、介电常数实部和虚部的频率谱、Cole–Cole图、松弛频率以及介电强度。这些结果为铁电和高倾斜度正交锥形反铁电液晶混合物的介电松弛现象提供了更深入的见解，并为未来关于聚合物稳定的OAFLCs的研究提供了参考，以评估聚合物稳定性如何影响分子松弛模式。

引言

液晶（LCs）的一个显著特点是手性在产生极性和形成螺旋超结构中的作用[1]。在铁电（SmC*）和反铁电（SmC_A*）等倾斜相中，自发极化是由手性和镜像对称性的破缺引起的[[2], [3], [4], [5]]。手性的引入使得分子长轴周围的旋转势不对称，导致在SmC*和SmC_A*相中产生垂直于倾斜平面的自发极化[1]。在过去的几十年里，这一领域取得了重大进展：1978年首次在DOBAMC中发现了铁电性[6]，十年后又发现了反铁电性[7]。

在铁电SmC*相中，分子具有手性和螺旋超结构，其介电响应主要由戈德斯通模式主导，这是由于分子围绕层状结构的相干旋转引起的[8,9]。相比之下，“软模式”在外加电场下出现，源于螺旋层状结构内的倾斜波动，并且具有明显的温度依赖性[1]。正交锥形反铁电SmC_A*相（OAFLC）的特征是分子倾斜角度约为45°，具有手性和螺旋结构，在室温下表现出两种较弱的集体模式：P_L模式与分子同相重定向相关，而P_H模式与相邻分子的反相运动相关[1,[10], [11], [12], [13]]。这些松弛过程是由于导向分子的螺旋旋转导致层状结构中的轻微缺陷而产生的非抵消的相运动模式，从而防止了极化的完全抵消[1,12]。尽管它们的松弛强度远低于戈德斯通模式，但它们为反铁电液晶的有序性提供了关键见解[[14], [15]]。介电光谱是一种特别强大的工具，可用于探测此类松弛现象[1,16]。由于其高灵敏度，它可以检测到微弱的松弛过程和常规热表征技术难以发现的微妙相变[17,18]。此外，它还能够详细分析介电特性[19,20]。

已经有关于纯化合物的介电研究，以及关于OAFLC二元混合物系统的电光研究[21,22]。在此基础上，进一步对基于这些混合物的OAFLC材料进行了聚合物稳定化研究，聚合物稳定化使光学上升和下降时间对称化，并缩短了电响应时间[23]。在参考文献[21], [22], [23]中报告的早期研究的基础上，本研究调查了两种二元OAFLC混合物系统的频率依赖性介电行为。纯化合物的介电研究表明，在化合物B的SmC_A*相中存在一种松弛模式，即P_L模式[21]。制备了二元混合物系统，以研究是否可以诱导额外的松弛过程，特别是尚未在化合物B中观察到的相运动（P_H）模式[22]。含有化合物A的混合物尤为重要，因为它们提供了直接的SmC_A*–Iso相变，并有助于抑制导致电光器件中“人字形”缺陷的层收缩[21], [22], [23]]。具体来说，本研究系统地研究了两种二元系统的介电常数实部和虚部、介电强度、松弛频率和时间以及交流导电性等关键介电参数。通过系统分析这些特性，本研究旨在加深对OAFLC混合物中松弛动力学和分子相互作用的理解。重要的是，这些结果为未来对聚合物稳定的OAFLC混合物的介电研究提供了参考点。这种比较对于评估聚合物稳定性如何影响分子松弛模式以及最终影响液晶器件的电光性能至关重要。

材料与方法

用于制备二元混合物的三种高倾斜度正交锥形反铁电液晶材料分别为：(a)化合物A、(b)化合物B和(c)化合物C，这些材料来自波兰华沙的军事技术大学。化合物A在非手性部分含有丙氧基（n=3）寡亚甲基间隔基团，其直接从SmC_A*相转变为各向同性相（晶体温度<30°C时为SmC_A*相，81.5°C时为Iso相）。化合物B的特征是在晶体温度<30°C时为SmC_A*相，93°C时为SmC*相，108°C时为SmA*相，110°C时为Iso相。

复介电常数的频率依赖性

介电数据是在从各向同性相冷却到晶体相的过程中获得的。(Compound A?+?Compound B)混合物系统（x_A=0.4）和(Compound C?+?Compound B)混合物系统（x_C=0.4）的介电吸收谱ε''(f,T)的3D图分别展示在图3中。选择这些特定组成（x_A=0.4和x_C=0.4）进行报告是因为在这些浓度下介电松弛模式非常明显。x_A=0.4的相变序列如下：

结论

(Compound A?+?Compound B)和(Compound C?+?Compound B)混合物系统的介电光谱分析揭示了与其铁电和反铁电状态相关的不同松弛过程。在SmC*相中，始终检测到强烈的戈德斯通模式，表明分子取向的集体方位波动。在SmC_A*相中，清晰观察到P_L模式（同相相运动）和P_H模式（反相相运动）。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了新德里科技部的支持，资助编号为EMR/2016/005001；以及新德里科技部的支持，资助编号为EEQ/2017/000829；同时得到了波兰华沙军事技术大学的研究项目UGB 22-801的联合资助。