铁电和铁电液晶在变形螺旋铁电模式下的电控双折射对温度的依赖性

《Optical Materials》：Temperature dependencies of electrically controlled birefringence in the deformed helix ferroelectric mode of ferroelectric and ferrielectric liquid crystals

本文研究了四种手性Smectic C*液晶在变形螺旋铁电模式下的电控有效双折射率温度依赖性，比较了铁电液晶（FLCs）和铁电液晶（FiLCs）的特性，发现FLCs随温度升高双折射率线性降低，而FiLCs在50℃附近出现峰值，为高性能光相位调制器设计提供了实验依据。

　　液态晶体材料因其独特的光学和电学特性，在现代光电技术中扮演着重要角色。其中，螺旋型Smectic C*（SmC*）液晶因其在电场作用下表现出的定向Kerr效应，被广泛研究用于光调制器件和显示技术。定向Kerr效应是指在电场作用下，液晶分子的取向发生变化，从而导致有效双折射率的变化。这一效应在铁电（FLC）和亚铁电（FiLC）SmC*液晶中均有体现，而其在不同温度条件下的表现则可能对实际应用产生重要影响。

在本文中，研究者探讨了四种不同的SmC*液晶材料：两种为铁电液晶（FLC），两种为亚铁电液晶（FiLC）。这些材料在特定的变形螺旋铁电模式（DHF-mode）下，其有效双折射率的变化受到温度和电场的影响。研究的主要目标是确定在DHF-mode下，铁电和亚铁电SmC*液晶所能达到的最大有效双折射率，以及该双折射率随温度变化的规律。此外，研究还关注了电场范围的选择标准，特别是如何确定最大可应用的电场值（E_DHF），以确保在实验过程中不会出现螺旋结构破坏等不良现象。

实验中采用的材料均来自俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所，由研究团队自行开发。这些液晶混合物在不同的温度条件下表现出不同的行为，特别是在相变温度附近的特性变化尤为显著。相变温度是指液晶从铁电或亚铁电相转变为顺电相的临界温度，这一温度对液晶的电光响应特性具有决定性作用。研究者通过实验测量了这些材料在不同温度下的Kerr效应系数（K_kerr(T)）和临界电场（E_c(T)），并分析了它们如何共同影响有效双折射率的最大值。

在DHF-mode下，有效双折射率的变化主要由Kerr效应系数和临界电场决定。Kerr效应系数随着温度的升高而增加，这表明在较高温度下，液晶材料对电场的响应能力更强。然而，临界电场（E_c）则表现出不同的温度依赖性，其变化趋势与Kerr效应系数不同。这种差异使得在不同的温度条件下，有效双折射率的变化模式也有所不同。对于铁电液晶，有效双折射率随温度的变化呈现单调递减的趋势，而亚铁电液晶则表现出一个最大值。这一现象具有重要的应用意义，因为它直接影响了液晶器件在不同温度下的性能表现。

实验结果显示，当温度升高到某一临界点时，铁电液晶的有效双折射率达到最大值。这一发现与传统的非晶态液晶（NLC）行为形成了鲜明对比。在NLC中，随着温度的升高，双折射率通常会下降，从而限制了其在光调制中的应用。然而，SmC*液晶，特别是铁电和亚铁电类型的材料，在特定温度范围内表现出不同的响应特性，这为开发高性能的光调制器件提供了新的可能性。例如，研究团队在实验中发现，对于FiLC FerriLCM-1，其有效双折射率在50℃时达到最大值，而此时的电光响应时间仅为75微秒，远低于室温下的300微秒。这一结果表明，通过调控温度，可以显著优化SmC*液晶在DHF-mode下的性能。

在实际应用中，有效双折射率的大小直接影响光相位调制的深度。光相位调制的深度可以通过公式 ΔΦ(E_DHF) = 2πdΔn_eff(E_DHF)/λ 来估算，其中d是液晶层的厚度，λ是光的波长。因此，了解有效双折射率随温度变化的规律，有助于设计具有最佳性能的液晶器件。此外，研究还指出，为了实现最大的光相位调制，需要合理选择液晶层的厚度，以在最小的控制电压下获得所需的相位变化。

研究团队还讨论了如何选择E_DHF的实验标准。他们指出，在DHF-mode下，E_DHF的取值通常受到临界电场E_c的限制，因为当电场超过E_c时，螺旋结构可能会被破坏，从而导致光散射等不良效应。因此，在实验过程中，E_DHF的取值需要控制在E_c以下，以确保器件的稳定性和可靠性。实验中测得的E_DHF/E_c比值在0.6到0.9之间变化，这表明在不同的液晶材料和实验条件下，最大可应用电场的范围有所不同。

通过对铁电和亚铁电SmC*液晶的比较研究，研究者发现，尽管它们的Kerr效应系数随温度的变化趋势相似，但在有效双折射率的最大值表现上存在显著差异。这种差异可能源于它们的分子结构不同，尤其是亚铁电液晶中更复杂的螺旋结构。此外，研究还表明，温度对电光响应时间的影响也值得关注。在某些温度范围内，电光响应时间可能显著缩短，从而提高器件的响应速度。

研究结果对于设计先进的液晶器件具有重要的指导意义。一方面，它可以为光调制器件的优化提供理论依据，帮助研究人员更好地理解温度和电场对液晶性能的影响；另一方面，它也为开发新的理论模型提供了实验数据支持。这些模型可以更准确地描述铁电和亚铁电SmC*液晶在不同温度条件下的电光特性，从而推动相关技术的发展。

总的来说，本文通过系统研究铁电和亚铁电SmC*液晶在DHF-mode下的有效双折射率随温度的变化规律，揭示了温度对液晶电光性能的复杂影响。研究结果不仅有助于理解液晶材料的物理行为，还为实际应用中的器件设计和性能优化提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探索这些材料在不同频率和波形驱动下的表现，以及它们在更广泛的温度范围内的稳定性，从而推动液晶技术在光电领域的更广泛应用。