等离子体辅助工程技术在氧化物纳米颗粒掺杂的液晶复合材料中调控结构与介电特性

《Current Applied Physics》：Plasma-assisted engineering of structural and dielectric characteristics in oxide nanoparticle-doped liquid crystal composites

氧等离子体处理改变SnO?和Mn?O?纳米颗粒尺寸、形貌及表面化学，增强其与液晶的界面极化，使掺杂Mn?O?液晶的介电各向异性在14分钟处理时达到最大值。

　　

马赫萨·卡德姆·萨迪格（Mahsa Khadem Sadigh）| 玛丽亚姆·贝伊格莫哈马迪（Maryam Beigmohammadi）| 艾拉尔·达内什法尔（Aylar Daneshfar）| 阿米德·兰杰克什（Amid Ranjkesh）

伊朗博纳布大学（University of Bonab）激光与光学工程系（Department of Laser and Optics Engineering），博纳布（Bonab）

摘要

本研究探讨了氧等离子体处理如何改变SnO₂和Mn₂O₃纳米颗粒的性质，进而影响向列型液晶（nematic liquid crystals）的介电行为。研究结果表明，等离子体暴露的时间对改变颗粒大小、形态和表面化学性质起着重要作用。XRD分析证实，SnO₂的四方结构和Mn₂O₃的立方结构在处理后仍然保持完整，但晶粒尺寸略有减小。SEM分析显示，等离子体处理使SnO₂的表面变得光滑且致密，而Mn₂O₃则发生部分表面蚀刻和局部重新聚集，这与其较高的反应性一致。FTIR光谱表明，氧相关特征得到增强，表面功能化程度提高，从而促进了更明显的界面极化。因此，掺杂了Mn₂O₃纳米颗粒的液晶在等离子体暴露14分钟后达到最大介电各向异性。总体而言，可控的等离子体处理可以有效调节纳米颗粒与液晶的相互作用，并提升介电性能。

引言

半导体金属氧化物最有趣的应用之一是它们可以被外部元素掺杂，这可以显著改变它们的导电性。用特定元素掺杂某些金属氧化物可以改善其电学性能，使其适用于各种电子应用[[1], [2], [3], [4]]。在这种情况下，材料的行为在很大程度上取决于其周围环境的特性[[5], [6], [7], [8]]。液晶（LCs）也因其独特而有趣的光学和电学性能而受到广泛研究，这些性能在显示技术、光学设备和传感器中非常有用[[8], [9], [10], [11], [12], [13]]。最近的研究中，向液晶中添加纳米颗粒作为一种改变和改善其物理性能的方法引起了广泛关注。已经对掺杂了各种纳米材料（包括金属、半导体、铁电体和碳纳米管）的液晶的光学、电学和介电性能进行了大量研究[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。

辉光放电（Glow discharge）是指在减压条件下，通过施加电场使气体电离而形成的非平衡等离子体状态。当施加的电场超过气体的电离阈值时，就会发生这种现象，从而产生由带电粒子和中性粒子（包括电子、离子和中性分子）组成的准中性等离子体。在此过程中会出现特征性的发光区域，如阴极辉光、暗区和正柱，每个区域都与不同的能量分布和反应机制相关。由于其低热能和显著的化学活性，辉光放电被广泛应用于各种材料处理技术中，包括表面改性、薄膜制备以及先进的分析方法，如辉光放电光学发射光谱（GDOES）和质谱（GDMS）。它能够在不改变材料整体结构的情况下改变表面性质，因此在纳米材料工程、界面调控和增强粘附力方面具有显著优势。在材料科学领域，辉光放电为在纳米尺度上修改表面功能提供了一个强大且可控的平台[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。特别是，氧等离子体处理已被证明可以改变纳米颗粒的表面电荷分布和化学组成，从而提高它们的胶体稳定性并改善其与液晶分子的相互作用。

尽管关于纳米颗粒-液晶（LC）复合体的研究非常广泛，但氧等离子体处理的SnO₂和Mn₂O₃纳米颗粒对液晶介电行为的具体影响尚未得到充分阐明。为了解决这个问题，本研究将这些纳米颗粒暴露在变化电流的氧等离子体中，处理时间分别为2分钟、7分钟和14分钟。研究重点关注等离子体处理如何改变颗粒大小、表面结构和化学功能，以及这些变化如何影响它们与液晶环境的相互作用。理解这些关系对于调节液晶系统的介电各向异性至关重要。本研究的结果不仅增强了人们对等离子体改性纳米颗粒-液晶相互作用的基本认识，还突显了它们在改进电子和光子器件所用材料性能方面的重要性。

部分内容摘录

材料

在本研究中，我们使用Merck公司提供的ML-0648向列型液晶以及SnO₂和Mn₂O₃纳米颗粒。液晶的向列相到各向同性相变温度是一个关键参数，它影响其光学和电光性能。根据制造商提供的规格，该液晶在81°C时发生向列相到各向同性相变。

液晶池的制备

本研究采用了平面型和向列型夹心型（planar and homeotropic sandwich-type）的液晶池结构

结果与讨论

本节研究了氧等离子体对掺杂了两种金属氧化物纳米颗粒（SnO₂和Mn₂O₃）的向列型液晶介电性能的影响。为了清楚地了解等离子体暴露如何改变这些纳米颗粒，首先使用XRD、SEM和FTIR分析了它们的结构、形态和表面化学变化（见表1和表2）。

结论

本研究系统地研究了氧等离子体处理对掺杂了SnO₂和Mn₂O₃纳米颗粒的向列型液晶介电常数的影响。结果表明，纳米颗粒大小、晶体结构、表面形态和等离子体处理时间显著影响了介电常数。根据XRD分析，具有四方结构的SnO₂纳米颗粒的晶粒尺寸变化较小（14.28–13.46纳米），表明其结构稳定性良好

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。