碳量子点掺杂向列相液晶的电光性能调控及其在显示技术中的应用

本研究针对向列相液晶(NLCs)电光性能优化难题，通过掺杂不同浓度碳量子点(CQDs)调控5CB液晶体系。实验发现0.06 wt% CQDs使光致发光增强37%、阈值电压降低34%，透射率提升11倍，电容增加54%，显著改善Frederick's转变。该工作为高性能液晶显示器件开发提供了新思路。

　　

液晶材料作为现代显示技术的核心，其性能优化一直是研究热点。向列相液晶(Nematic Liquid Crystals, NLCs)因其独特的分子排列方式兼具液体流动性和晶体光学特性，被广泛应用于液晶显示器(LCDs)。然而传统NLCs存在阈值电压高、光学对比度不足等问题，且离子污染易导致性能劣化。虽然通过真空升华、色谱分离等方法可部分解决这些问题，但纳米材料掺杂被视为更具潜力的解决方案。

在此背景下，印度浦那MIT世界和平大学的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表创新研究，系统考察了碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQDs)对5CB型NLCs电光性能的调控作用。通过掺杂2.84±0.047 nm尺寸的CQDs，发现0.06 wt%浓度可显著提升材料性能：光致发光(Photoluminescence, PL)增强37%，阈值电压降低34%，透射率提高11倍，同时电容增加54%表明Frederick's转变（液晶分子在外场作用下的取向转变）被有效抑制。这些突破为新一代显示技术开发提供了重要参考。

研究采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)等技术表征CQDs结构，通过偏光显微镜(POM)和PL光谱分析液晶分子排列与光学性能。电光测试系统测量了阈值电压、透射率等关键参数。

Nematic liquid crystal
选用室温向列相液晶4′-戊基-4-联苯甲腈(5CB)，其分子结构含联苯核、氰基(C≡N)和戊基链(C₅H₁₁)，相变序列明确。

Characteristics of CQD
XRD显示CQDs在22.12°出现(002)晶面衍射峰，平均晶粒尺寸7.95 nm。TEM证实其单分散性良好，粒径2.84±0.047 nm。UV-Vis谱在280 nm和340 nm处显示特征吸收峰，荧光发射峰位于445 nm，量子产率达18.7%。

Conclusions
0.06 wt% CQDs掺杂使5CB NLCs获得最佳综合性能：工作电压降至2 V（纯NLCs需3 V），PL强度提升37%，响应速度加快。电容测试显示离子俘获效应减弱，证实CQDs可优化电荷传输。

该研究由Prathamesh Sarnaik、Ankita Sutar等合作完成，首次系统阐明了CQDs浓度与NLCs性能的构效关系。特别值得注意的是，CQDs的量子限域效应（纳米材料因尺寸限制导致的电子能级离散化）与强偶极矩协同作用，显著改善了液晶分子排列有序性。这种"纳米掺杂-性能调控"策略不仅适用于显示技术，对开发液晶光子器件、光学传感器等也具有重要启示。研究获得印度浦那大学的技术支持，体现了产学研结合的创新模式。