BiVO?纳米颗粒对向列型液晶清亮点温度和介电性能的影响

《Journal of Molecular Liquids》：Impact of BiVO 4 nanoparticles on the clearing temperature and dielectric properties of a nematic liquid crystal

　　

• •
  我们研究了BiVO₄纳米粒子对向列相液晶材料介电性能的影响。
• •
  与5CB相比，掺杂样品的介电介电常数得到提升。
• •
  与低频区相关的弛豫频率向高频方向移动。
• •
  随着液晶材料中BiVO₄纳米粒子浓度的增加，T_NI的值下降约2°C。

引言

在全球范围内，对易于操作、便于开发现代世界技术的设备的需求日益增加。为满足这些设备的需求，研究人员一直在寻找最佳材料，包括固态材料、聚合物、液晶（LC）、金属和其他无机材料。其中，液晶表现出介于传统晶体固体和液体之间的中间特性，兼具液体的流动性和晶体材料的取向有序性，这使它们成为技术进步中的重要材料。这种双重性质的存在使它们能够对外部扰动做出响应，包括表面、电场、磁场和温度[1]、[2]。此外，液晶独特的介电、光学和电光特性使其适用于传感功能。因此，它们在各种显示和超越显示的应用中需求旺盛，包括液晶显示器件、延迟器、滤波器、生物传感器、快门和可调设备[3]、[4]、[5]、[6]。

尽管液晶具有广泛的应用，但为了日益增长的市场需求，仍需要进一步改善其性能。各种技术，包括合成新型液晶材料、在液晶中掺杂纳米材料、控制液晶取向等，都已被探索以增强许多基于液晶的器件的功能[7]、[8]、[9]。在所有这些技术中，纳米材料在液晶中的分散因其作为经济有效的方式来优化现有液晶材料特征特性而受到极大关注。此外，液晶的自组装特性为纳米材料的分散提供了可控环境。液晶-纳米复合物的形成利用了各个组分的特性以更好地运行基于液晶的器件。各种类型的纳米粒子（NPs），包括金属、金属氧化物、磁性、铁电性、半导体、碳纳米管、聚合物和量子点，已被掺杂到液晶中并实现了预期性能[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。将它们掺入液晶基质中强调了更快的开关效果、降低的展曲弹性常数和阈值电压[20]、[21]。此外，另一组研究者观察到介电各向异性、转变温度和有序参数（S）的提升，这些都是液晶器件稳定化的关键因素[22]。

在各类纳米粒子中，金属氧化物（MO）纳米粒子在液晶中的分散扩大了基于液晶的应用领域，被许多研究者所关注[23]。MO纳米粒子涵盖了广泛的新兴领域，其与液晶的混合在光电子学、波导开关、节能、智能窗户、显示器件、存储器件和光催化方面都有应用[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。Ganea等人观察到随着TiO₂纳米粒子浓度增加，SmA-各向同性转变温度升高，表明掺杂TiO₂纳米粒子稳定了层状相[31]。此外，绝缘性MO TiO₂纳米粒子能够捕获通常会使液晶器件性能下降和使用寿命缩短的离子杂质[32]。另外，MO纳米粒子在特定浓度以下分散可改善液晶分子的排列，从而增强其对外部场的响应时间，并为发现和发展新应用（如自适应透镜）铺平道路[33]。液晶纳米复合系统内存在多种相互作用，即LC-LC、LC-NPs和NPs-NPs相互作用。这些相互作用起着重要作用，使MO纳米粒子在开发具有增强特性和特定应用功能的液晶纳米复合材料方面具有特别的吸引力。在适当的纳米粒子浓度下，有利的LC-NPs相互作用可以促进分子有序和排列，而捕获或重新分布离子杂质可以改变液晶的介电和电光响应。

铋钒酸盐（BiVO₄）以多种晶体学多形体存在，主要为单斜型白钨矿结构（m-BiVO₄）和四方型白钨矿结构（t-BiVO₄），具有不同的结构和电子特性。在室温下热力学稳定的单斜相以优异的介电和光催化效率为特征，而亚稳态的四方相对电荷传输和缺陷形成贡献较小。这两种多形体在双相（m-t）BiVO₄系统中的共存导致同型异质结的形成，促进了界面极化并增强了氧空位等表面缺陷的浓度[34]。这些特性可能对纳米粒子与宿主液晶分子之间的接触产生巨大影响，进而影响分子有序性、介电各向异性和清亮温度。因此，使用双相（m-t）BiVO₄纳米粒子为液晶纳米复合物的电光特性控制提供了另一层级的调控，超过单相BiVO₄纳米粒子。本研究选择BiVO₄纳米粒子是因其半导体特征特性，如窄带隙、大介电常数、化学稳定性和低毒性。与其他常研究的MO（如TiO₂和ZnO）相比，这些材料主要对紫外光敏感，而BiVO₄在可见光波长下具有高吸收，因此作为光电子材料颇具吸引力[34]。此外，Bi离子和氧空位使得BiVO₄与4-氰基-4'-戊基联苯（5CB）分子的极性氰基之间形成强界面相互作用，从而实现介电各向异性和向列相（N）到各向同性相（I）转变（即清亮）温度的有效调控。BiVO₄纳米粒子在液晶系统中研究较少这一事实也突显了当前工作的新颖性。因此，我们将BiVO₄纳米粒子分散到5CB中以充分利用其优势。首先，通过偏光光学显微镜纹理检查了未受扰动的5CB分子向列相，随后利用介电谱研究其介电特性。低频处的介电参数得到增强，归因于离子的存在。此外，还研究了介电特性的温度依赖性，以评估$?\mathrm{\epsilon }$和S。这些表征有助于测量5CB-BiVO₄液晶纳米复合材料中发生的可观察变化。

章节摘录

双相（m-t）BiVO₄纳米粒子的描述

在本研究中，通过水热法合成了双相（m-t）BiVO₄纳米粒子，详细的合成步骤和表征结果由Kukreti等人报告[34]。所合成BiVO₄纳米粒子的XRD图谱峰与JCPDS卡片No. 01-075-1866（空间群：I2/b）和No. 00-014-0133（空间群：I41/amd）强烈匹配，分别证实了单斜（m）和四方（t）晶粒形状[34]。计算结果

微观纹理和清亮温度（T_N-I）的探测

偏光光学显微镜用于可视化液晶及其与纳米粒子复合物的分子取向、均匀性和清亮温度[12]、[35]、[36]、[37]。由于液晶材料具有光学各向异性，入射偏振光分裂为普通光和非普通光，它们经历不同的光程差，影响透射光强度，其方程为$$I=I_0{\mathit{sin}}^{2}2\phi {\mathit{sin}}^2\frac{\delta }{2}$$其中$I_0$为光通过后的强度

结论

首先，我们制备了不同浓度（0、0.10、0.25、0.50和1.00 wt%）的5CB与BiVO₄纳米粒子液晶纳米复合材料，并将它们纳入向列相平面排列的电池中进行进一步研究。我们利用偏光光学显微镜观察到液晶纳米复合材料中分子排列没有畸变。利用介电谱分析了所有样品（M1、M2、M3、M4和M5）的介电参数。介电介电常数

CRediT作者贡献声明

Aafreen：撰写——初稿、方法学、调查、形式分析、数据整理。Shikha Chauhan：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念化。Jai Prakash：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念化。Kalpana Kukreti：撰写——审阅与编辑、资源、形式分析。Kamlesh Yadav：撰写——审阅与编辑、监督，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Aafreen|Shikha Chauhan|Jai Prakash|Kalpana Kukreti|Kamlesh Yadav|Gautam Singh