一种新型向列型液晶生成物的分子弛豫行为、电光及拉曼光谱性质

《Optical Materials》：Molecular Relaxation Behavior, Electro-optical and Raman Spectroscopic Properties of a Novel Nematogen Liquid Crystal

　　

摘要

本文研究了新型液晶（LC）化合物 CNAzO₆Br 的介电、电光性能及拉曼光谱随温度和频率的变化。通过差示扫描量热法（DSC）和偏光光学显微镜（POM）的显微形貌分析确认了 CNAzO₆Br 的相变。介电谱分析揭示了在低频下的高介电常数和介电各向异性，表明强烈的分子取向和增强的取向极化。双折射率（Δn）随温度（或电场）升高从 Δn = 0.178 降至 Δn = 0.022，反映了电场诱导的分子重取向。电光测量表明响应时间随外加电压（0.5–10 V）升高从约 131 ms 降至 9 ms，表明电场诱导的分子重取向增强。温度依赖的拉曼光谱在约 1135、约 1450、约 1597 和约 2224 cm^-1 的特征峰处表现出系统性变化，反映了结构演变和分子间相互作用。密度泛函理论（DFT）计算得到的分子长度为 19.56 ?，长径比为 3.15，偶极矩为 6.295 Debye，极化率为 338.17 a.u.，确认了分子显著的各向异性和介电响应。综合实验和理论结果表明，CNAzO₆Br 具有优异的介电、电光和光学性能，使其成为液晶显示器、光学调制器、可调光子器件、电光开关、智能窗户、光束转向系统以及基于液晶的光学传感技术的有前途的候选材料。

引言

液晶（LC）具有独特的介晶相，其有序的分子排列介于传统固体和液体性质之间 [1], [2]。其卓越的电光性能使其成为显示技术、光通信和光子应用中不可或缺的材料 [3], [4], [5]。在各种液晶化合物家族中，偶氮苯基液晶因其分子取向能力、可调相行为和光响应特性而备受关注，成为先进光学和电子设备中的理想选择 [6], [7]。基于偶氮苯的热致液晶因其可逆光异构化和介晶活性的独特组合而得到了广泛研究，这使分子取向和光学性质的动态控制成为可能 [8], [9], [10]。柔性烷氧基链的引入显著影响相变温度和介晶相稳定性，突出了液晶行为对分子结构的显著依赖性。偶氮苯和氰基联苯介晶在混合系统中也通过分子间相互作用表现出增强的有序性。偶氮苯基团对于控制氰基联苯液晶的取向也很重要，因为光诱导的反式-顺式异构化使在外部刺激下实现可控的表面锚定和重取向成为可能。此外，偶氮苯核心上的取代基效应，特别是吸电子或供电子基团，显著改变光开关效率、介晶相特性和光学各向异性。这建立了一种独特的结构-性能关系，对于开发先进的响应液晶材料至关重要。液晶 CNAzO₆Br 是一种单体偶氮基液晶，由以溴终止的柔性烷氧基链和含有偶氮键和极性氰基的刚性 π-共轭芳香核心组成。偶氮基团可实现反式-顺式光异构化，而分子各向异性和分子间相互作用则决定其介晶行为。因此，柔性链与刚性核心之间的平衡在很大程度上决定了其性能。

在本工作中，我们研究了液晶化合物 CNAzO₆Br 的介电、电光和拉曼光谱特性随温度的变化。相阻抗谱用于研究不同温度和频率下的介电常数和损耗因子，使我们能够识别控制液晶分子相互作用的重要弛豫过程。弛豫频率被研究以了解其如何随温度变化以及在什么条件下达到最优 [11], [12]。双折射材料的电光响应受电场和温度等外部刺激的强烈影响。了解这些特性随外加电压和温度的变化对于优化液晶器件中的开关行为和光学效率至关重要。为了阐明该化合物的结构和分子特性，我们使用了拉曼光谱，这是一种探测液晶振动模式、分子取向和相变的强大技术 [13], [14], [15]。观察到的拉曼峰位移、强度变化和介电弛豫趋势对于为特定光电子应用定制材料特性至关重要。本研究不仅推进了对偶氮苯基液晶的基础研究，也为将它们整合到下一代显示技术、可调光子器件和响应分子系统中铺平了道路 [16], [17]。

章节摘要

所用材料

液晶化合物 CNAzO₆Br，即 (E)-4-((4-((6-溴己基)氧基)苯基)重氮基)苯甲腈，是一种有机偶氮基分子，具有末端溴官能化的烷基链和共轭芳香核心。它由通过偶氮（–N=N–）键连接的两个苯环组成，其中一个带有氰基（–CN），增强了分子间相互作用和分子极性。另一个芳香环上连接了6-溴己氧基链，增加了柔韧性并允许额外的功能化

结果与讨论

根据先前的研究，反式-顺式异构化使偶氮苯基热致液晶系统表现出强烈的介晶和光响应行为 [21], [22], [23]。偶氮苯连接体可实现有效的反式-顺式光响应，尽管柔性链和末端基团等结构变异显著影响相稳定性和转变温度。此外，将偶氮苯单元与氰基联苯型基团结合的混合系统显示出

结论

本研究对新型偶氮基向列液晶 CNAzO₆Br 的分子、介电、电光和振动特性进行了全面研究。综合实验和理论分析确认，细长的分子结构、高偶极矩和大极化率贡献了强烈的介电和电光特性。介电测量揭示了增强的取向极化，而双折射率则

CRediT 作者贡献声明

Manpreet Kaur：方法论，数据整理。Mahima Rabari：数据整理。Vershika Vershika：写作——初稿，方法论，调查。Kunwar Vikram：写作——审阅和编辑，形式分析。Sandeep Kumar：写作——审阅和编辑，调查。A. K. Prajapati：写作——审阅和编辑，监督，调查。Praveen Malik：写作——审阅和编辑，数据整理。Pankaj Kumar Tripathi：写作——初稿，方法论，调查

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

资金

未获得资金资助。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

感谢印度北方邦戈勒克普尔大学的 Ambrish Kumar Srivastava 博士提供 DFT 测量研究设施。作者（PKT）和 V. Singh 感谢北方邦科学和技术委员会（CST-UP）的财务支持。

Vershika Singh | Manpreet Kaur | Mahima Rabari | Pankaj Kumar Tripathi | Kunwar Vikram | Sandeep Kumar | A.K. Prajapati | Praveen Malik

印度北方邦大诺伊达 Sharada 大学知识园区 III 物理与环境科学系，邮编 201310