Vid Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster har ett gemensamt forskarteam utvecklat en ferroelektrisk dimer flytande kristall med spontan polarisation som överstiger (8 μCcm ^-2 ) och en dielektrisk konstant som överstiger 8 000 vid låga temperaturer. Resultaten publiceras i The Journal of Physical Chemistry B .

Ferroelektriska flytande kristaller är en unik typ av flytande kristaller som har hög spontan polarisation och dielektrisk konstant. Bland dessa har dimera molekyler en enkel molekylstruktur och kan bilda en ferroelektrisk fas vid låga temperaturer, så de förväntas vara ett material med många användningsområden.

De gemensamma forskarna utvecklade en dimer molekyl som heter di-₅ (₃ FM-C₄ T), som har en fluorsubstituerad mesogenkärna kopplad till sidovingarna med en pentametylendistans.

Forskare bekräftade att denna dimera molekyl uppvisar flytande kristallinitet vid låga temperaturer (55°C till 211°C), och är sammansatt av tre polära faser:nematiska, smektiska och isotropiska, med en enorm spontan polarisation (8 μCcm ^-2) ) och dielektricitetskonstant (8 000).

Forskarna lyckades utveckla en dimer flytande kristall som uppvisar ferroelektricitet vid låga temperaturer. Genom att använda de dimeriska molekylerna som utvecklats genom denna forskning kommer det att möjliggöra skapandet av teknik som kondensatorer för mindre elektroniska enheter och lägre strömförbrukning, piezoelektriska element och elektrostatiska ställdon som kan drivas vid låga spänningar och holografiska skärmar som visar tredimensionella videor.

Denna utveckling förväntas leda till nya tillämpningar inom områden som bilar, industrirobotar och medicinsk utrustning.

Dessa forskningsresultat har uppnåtts av Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster, som består av Shigemasa Nakasugi (gemensam forskare med industri och andra organisationer inklusive den privata sektorn), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, Adj. Assoc. Prof. Sung Min Kang från LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe och Assoc. Prof. Tso-Fu Mark Chang från Laboratory for Future Interdisciplinary Research of Science and Technology, och professor Takaaki Manaka från School of Engineering, som är en gemensam forskningsorganisation för LG Japan Lab och Tokyo Institute of Technology.

Resultaten publicerades i Journal of Physical Chemistry B .

Ferroelektriska flytande kristaller förväntas ha innovativa tillämpningar i elektroniska enheter eftersom de uppvisar högre spontan polarisation och dielektrisk konstant än konventionella flytande kristaller. Dessutom, på grund av deras höghastighetsväxlingsegenskaper och minneseffekt, har de nyligen uppmärksammats som ett gynnsamt material för att realisera holografiska skärmar som kräver fina pixelstrukturer.

Ferroelektriciteten kräver en reduktion av molekylär symmetri och de kirala smektiska-C-faserna med kirala molekyler, de nematiska faserna med de specifika funktionella grupperna, och de böjda molekylerna med en böjd struktur har utvecklats hittills.

I synnerhet har de böjda molekylerna egenskapen att molekylens böjda struktur sänker den intramolekylära symmetrin, och ferroelektriciteten kan uttryckas med en enkel molekylstruktur som inte kräver införande av specifika funktionella grupper.

Dessutom är vissa böjda molekyler kända som dimera molekyler. Medan de flesta böjda molekyler har mesogen kopplat till 1,3-positionerna i den aromatiska kärnan, innehåller de dimera molekylerna en flexibel alkylengrupp (udda koltal) som mesogenkoppling.

Denna flexibla alkylengrupp gör det möjligt för den dimera molekylen att bilda de ferroelektriska faserna vid lägre temperaturer än konventionella böjda molekyler, vilket är överlägset när det gäller applikationsutveckling.

I den här studien fokuserade forskargruppen på de dimera molekylerna för att utveckla nya material med enorm spontan polarisation och dielektrisk konstant.

Forskarna utvecklade en ny dimer molekyl med ett stort dipolmoment för att uppnå enorm spontan polarisation och dielektrisk konstant. Specifikt syntetiserade de en dimer molekyl, di-5 (3FM-C4T), som har en fluorsubstituerad mesogenkärna länkad med pentametylendistanser som sidovingar.

På grund av effektiv fluorsubstitution, den mesogena kärnan av di-₅ (₃ FM-C₄ T) visade sig ha ett mycket stort dipolmoment på 11,2 D genom densitetsfunktionsteori. Di-₅ (₃ FM-C₄ T) analyserades strukturellt för att avslöja en ferroelektrisk nematisk (NF), ferroelektrisk smektisk-A (SmAPF) och polär isotropisk (IsoP) fas.

NF-fasen består av U-formade molekyler och har en enorm spontan polarisation på cirka 8 μCcm ^-2 , vilket reflekterar det stora dipolmomentet hos mesogenkärnan. Å andra sidan består SmAPF-fasen av molekyler med böjd form och har hög spontan polarisation på cirka 4 μCcm ^-2 .

Den spontana polariseringen av SmAPF-fasen är hälften av NF-fasen, vilket beror på det halverade dipolmomentet i den böjda molekylen med en böjd vinkel på 120° i en jämförelse av de U-formade molekylerna. IsoP-fasen på högtemperatursidan, som fortfarande är under strukturanalys, visar fortfarande en polär struktur och kan ha polär aggregering av molekyler i små domäner.

Dessa polära faser uppvisar en dielektrisk konstant på mer än 8 000, vilket reflekterar stora dipolmoment.

Genom att använda de nyutvecklade böjda dimera molekylerna med enorm spontan polarisation och dielektricitetskonstant som ett medium, är det möjligt att realisera en mängd olika högpresterande elektroniska enheter. Till exempel kommer applikationen till kondensatorerna att möjliggöra miniatyrisering och låg strömförbrukning för elektroniska enheter.

Dessutom kommer tillämpningen av piezoelektriska element och elektrostatiska ställdon att möjliggöra lågspänningsdrift, vilket bidrar till förbättrad styrteknik och energibesparande industriella processer.

I applikationen för 3D-videodisplayelement är tekniken lovande som en möjliggörande teknik för holografiska skärmar eftersom det är mindre sannolikt att orsaka överhörning mellan pixlar i en fin pixelstruktur och möjliggör optisk omkoppling med hög hastighet. Sålunda förväntas nya tillämpningar inom områden som bilar, industrirobotar, medicinsk utrustning och videodisplayenheter.

I denna forskning är de tre polära faserna av de utvecklade böjda dimera molekylerna trögflytande vätskor, och forskning om immobiliseringstekniker som elastomerisering och gelning är avgörande för praktiska tillämpningar.

Med utvecklingen av immobiliseringstekniker förväntas användningsområdena för ferroelektriska material att expandera och utvecklas till nya användningsområden.

Mer information: Shigemasa Nakasugi et al, Three Distinct Polar Phases, Isotropic, Nematic and Smectic-A Phases, Formed from a Fluoro-Substituted Dimeric Molecule with Large Dipole Moment, The Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c02259

Journalinformation: Journal of Physical Chemistry B

Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology