[논문 리뷰] Ideal Mixing of Paraelectric and Ferroelectric Nematic Phases in Liquid Crystals of Distinct Molecular Species

Xi Chen, Zhecong Zhu외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 20.

Liquid Crystal Research Advancements참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 분자 구조가 다른 두 가지 액정 분자인 RM734와 DIO의 이진 혼합물에서 파라전자성 및 반도체성 나선상 상 사이의 이상적인 혼합을 입증한다. 혼합물은 완전한 상용성, 이상적인 열역학적 거동 및 유지된 전기광학적 성질을 보이며, 이는 유사한 분자 형태와 전기 dipole 모멘트(~11 D) 덕분이며, 안정적인 실온에서의 반도체성 나선상 상과 향상된 전기광학 반응을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The organic mesogens RM734 and DIO are members of separate molecular families featuring distinct molecular structures. These families, at the present time, are the only ones known to exhibit a ferroelectric nematic liquid crystal (LC) phase. Here we present an experimental investigation of the phase diagram and electro-optics of binary mixtures of RM734 and DIO. We observe paraelectric nematic (N) and ferroelectric nematic (NF) phases in both materials, each of which exhibits complete miscibility across the phase diagram, showing that the paraelectric and ferroelectric are the same phases in RM734 as in DIO. Remarkably, these molecules form ideal mixtures with respect to both the paraelectric-ferroelectric nematic phase behavior and the ferroelectric polarization density of the mixtures, the principal order parameter of the transition. Ideal mixing is also manifested in the orientational viscosity, and the onset of glassy dynamics at low temperature. This behavior is attributable in part to the similarity of their overall molecular shape and net longitudinal dipole moment (~ 11 Debye), and to a common tendency for head-to-tail molecular association. In contrast, the significant difference in molecular structures leads to poor solubility in the crystal phases, enhancing the stability of the ferroelectric nematic phase at low temperature in the mixtures and making possible room temperature electro-optic effects. In the mixtures with excess DIO, an intermediate phase appears via an ultraweak, first-order transition from the N phase, in a narrow temperature range between the paraelectric and ferroelectric nematics.

연구 동기 및 목표

• 두 개별 분자 종류인 RM734와 DIO의 혼합물에서 파라전자성 및 반도체성 나선상 상의 상 거동과 상용성에 대해 조사한다.
• RM734와 DIO의 파라전자성 및 반도체성 나선상 상이 열역학적으로 동일하며 상호적으로 완전히 혼합 가능한지 확인한다.
• 특히 반도체성 분극 밀도에 초점을 맞춰 혼합물의 전기광학 반응 및 질서 매개변수 거동을 검토한다.
• 분자 형태, 전기 dipole 모멘트, 그리고 분자 간 상호작용이 구조적 차이에도 불구하고 이상적인 혼합을 가능하게 하는 역할을 이해한다.
• 저온에서 결정상에 대한 낮은 용해도가 반도체성 나선상 상의 안정성에 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• RM734와 DIO의 다양한 조성에서 열미량법 및 광학 현미경을 이용한 실험적 상도도 결정.
• 전기장 유도 스위칭 및 P-E 히스테리시스 루프 측정을 통한 반도체성 분극 밀도 측정.
• 전기광학적 감쇠 기법을 이용한 정렬 점성도 및 동적 거동 분석.
• X선 회절 및 투과 광학 현미경을 활용한 상의 정체성 및 텍스처 변화 확인.
• 상 경계를 맵핑하고 중간 상을 탐지하기 위해 조성의 체계적 변화 적용.
• 유리 상태 동역학 및 전이 거동을 탐색하기 위한 열분석 및 유전율 스펙트로스코피를 포함한 보조 특성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RM734와 DIO의 파라전자성 및 반도체성 나선상 상은 모든 조성 범위에서 완전히 상용 가능한가?
• RQ2 혼합물의 반도체성 분극 밀도는 이상적인가, 즉 구성에 비례하여 선형적으로 추가되며 편차가 없는가?
• RQ3 형상과 전기 dipole 모멘트(~11 D)의 유사성이 구조적 이질성에도 불구하고 이상적인 혼합을 가능하게 하는가?
• RQ4 초미세한 일阶 전이를 통해 DIO 농도가 높은 혼합물에서 중간 상이 나타나는 원인은 무엇인가?
• RQ5 결정상에서의 낮은 용해도가 저온에서 반도체성 나선상 상의 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• RM734와 DIO의 파라전자성 및 반도체성 나선상 상은 전체 조성 범위에서 완전히 상용 가능하며, 이는 양 물질에서 이 두 상이 열역학적으로 동일하다는 것을 시사한다.
• 혼합물의 반도체성 분극 밀도는 조성에 대해 이상적인 선형적 의존성을 보이며, 이상적인 혼합 거동을 확인한다.
• 정렬 점성도나 전기광학 반응에 유의미한 편차가 없어 구조적 교란이 최소화됨을 나타낸다.
• DIO 농도가 높은 혼합물에서 파라전자성 나선상 상으로부터 초미세한 일계 전이를 통해 중간 상이 나타나며, 이는 좁은 온도 범위에 국한된다.
• 결정상에서의 낮은 용해도가 저온에서 반도체성 나선상 상의 안정성을 향상시켜 실온에서의 전기광학 효과를 가능하게 한다.
• 분자 형태와 순전기 dipole 모멘트(~11 D)의 유사성과 함께 머리-꼬리 방향의 상호작용 경향이, 구조적 이질성에도 불구하고 이상적인 혼합 거동을 뒷받침한다.