En ferroelektrisk dimer flydende krystal med enorm spontan polarisation og dielektrisk konstant ved lave temperaturer

På Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster har et fælles forskerhold udviklet en ferroelektrisk dimer flydende krystal med spontan polarisering, der overstiger (8 μCcm ^-2 ) og en dielektrisk konstant, der overstiger 8.000 ved lave temperaturer. Resultaterne er offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry B .

Ferroelektriske flydende krystaller er en unik type flydende krystal, der har høj spontan polarisation og dielektrisk konstant. Blandt disse har dimere molekyler en simpel molekylær struktur og kan danne en ferroelektrisk fase ved lave temperaturer, så de forventes at være et materiale med mange anvendelser.

De fælles forskere udviklede et dimert molekyle kaldet di-₅ (₃ FM-C₄ T), som har en fluorsubstitueret mesogen kerne forbundet til sidevinger med en pentamethylen spacer.

Forskere bekræftede, at dette dimere molekyle udviser flydende krystallinitet ved lave temperaturer (55°C til 211°C) og er sammensat af tre polære faser:nematisk, smektisk og isotropisk, med en enorm spontan polarisation (8 μCcm ^-2) ) og dielektrisk konstant (8.000).

Det lykkedes forskerne at udvikle en dimer flydende krystal, der udviser ferroelektricitet ved lave temperaturer. Brug af de dimere molekyler, der er udviklet gennem denne forskning, vil muliggøre skabelsen af ​​teknologi såsom kondensatorer til mindre elektroniske enheder og lavere strømforbrug, piezoelektriske elementer og elektrostatiske aktuatorer, der kan drives ved lave spændinger, og holografiske skærme, der viser tredimensionelle videoer.

Denne udvikling forventes at føre til nye anvendelser inden for områder som biler, industrirobotter og medicinsk udstyr.

Disse forskningsresultater blev opnået af Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster, sammensat af Shigemasa Nakasugi (fælles forsker med industri og andre organisationer, herunder den private sektor), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, Adj. Assoc. Prof. Sung Min Kang fra LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe og Assoc. Prof. Tso-Fu Mark Chang fra Laboratory for Future Interdisciplinary Research of Science and Technology, og professor Takaaki Manaka fra School of Engineering, som er en fælles forskningsorganisation for LG Japan Lab og Tokyo Institute of Technology.

Resultaterne blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry B .

Ferroelektriske flydende krystaller forventes at have innovative anvendelser i elektroniske enheder, fordi de udviser højere spontan polarisation og dielektrisk konstant end konventionelle flydende krystaller. På grund af deres højhastighedsskiftegenskaber og hukommelseseffekt har de desuden for nylig tiltrukket sig opmærksomhed som et gunstigt materiale til realisering af holografiske skærme, der kræver fine pixelstrukturer.

Ferroelektriciteten kræver en reduktion af molekylær symmetri og de chirale smektiske-C faser med chirale molekyler, de nematiske faser med de specifikke funktionelle grupper, og de bøjede molekyler med en bøjet struktur er blevet udviklet indtil videre.

Især de bøjede molekyler har den egenskab, at molekylets bøjede struktur sænker den intramolekylære symmetri, og ferroelektriciteten kan udtrykkes med en simpel molekylær struktur, der ikke kræver introduktion af specifikke funktionelle grupper.

Derudover er nogle bøjede molekyler kendt som dimere molekyler. Mens de fleste bøjede molekyler har mesogen bundet til 1,3-positionerne i den aromatiske kerne, indeholder de dimere molekyler en fleksibel alkylengruppe (ulige kulstoftal) som mesogenbindingen.

Denne fleksible alkylengruppe gør det muligt for det dimere molekyle at danne de ferroelektriske faser ved lavere temperaturer end konventionelle bøjede molekyler, hvilket er overlegent med hensyn til anvendelsesudvikling.

I denne undersøgelse fokuserede forskerholdet på de dimere molekyler for at udvikle nye materialer med enorm spontan polarisering og dielektrisk konstant.

Forskerne udviklede et nyt dimerisk molekyle med et stort dipolmoment for at opnå enorm spontan polarisering og dielektrisk konstant. Specifikt syntetiserede de et dimert molekyle, di-5 (3FM-C4T), som har en fluorsubstitueret mesogenkerne forbundet med pentamethylenafstandsstykker som sidevinger.

På grund af effektiv fluorsubstitution er mesogenkernen af ​​di-₅ (₃ FM-C₄ T) viste sig at have et meget stort dipolmoment på 11,2 D ved densitetsfunktionsteori. Di-₅ (₃ FM-C₄ T) blev strukturelt analyseret for at afsløre en ferroelektrisk nematisk (NF), ferroelektrisk smektisk-A (SmAPF) og polær isotrop (IsoP) faser.

NF-fasen består af U-formede molekyler og har en enorm spontan polarisering på omkring 8 μCcm ^-2 , hvilket afspejler det store dipolmoment af mesogenkernen. På den anden side består SmAPF-fasen af ​​molekyler med en bøjet form og har høj spontan polarisering på omkring 4 μCcm ^-2 .

Den spontane polarisering af SmAPF-fasen er halvdelen af ​​NF-fasen, hvilket skyldes det halverede dipolmoment i det bøjede molekyle med en bøjet vinkel på 120° i en sammenligning af de U-formede molekyler. IsoP-fasen på højtemperatursiden, som stadig er under strukturanalyse, viser stadig en polær struktur og kan have polær aggregering af molekyler i små domæner.

Disse polære faser udviser en dielektrisk konstant på mere end 8.000, hvilket afspejler store dipolmomenter.

Ved at anvende de nyudviklede bøjede dimere molekyler med enorm spontan polarisering og dielektrisk konstant som et medium, er det muligt at realisere en række højtydende elektroniske enheder. For eksempel vil applikationen til kondensatorerne muliggøre miniaturisering og lavt strømforbrug af elektroniske enheder.

Desuden vil anvendelsen af ​​de piezoelektriske elementer og elektrostatiske aktuatorer muliggøre lavspændingsdrift, hvilket bidrager til forbedret styreteknologi og energibesparende industrielle processer.

I applikationen til 3D-videodisplayelementer er teknologien lovende som en muliggørende teknologi til holografiske skærme, fordi den er mindre tilbøjelig til at forårsage krydstale mellem pixel i en fin pixelstruktur og muliggør højhastigheds optisk skift. Der forventes således nye applikationer inden for områder som biler, industrirobotter, medicinsk udstyr og videodisplayenheder.

I denne forskning er de tre polære faser af de udviklede bøjede dimere molekyler viskøse væsker, og forskning i immobiliseringsteknikker såsom elastomerisering og gelering er afgørende for praktiske anvendelser.

Med udviklingen af ​​immobiliseringsteknikker forventes anvendelsesområderne for ferroelektriske materialer at udvide sig og udvikle sig til nye anvendelsesområder.

Flere oplysninger: 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

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry B

Leveret af Tokyo Institute of Technology