[논문 리뷰] Thermotropic reentrant isotropy and antiferroelectricity in the ferroelectric nematic realm: Comparing RM734 and DIO

Bingchen Zhong, Min Shuai외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 29.

Liquid Crystal Research Advancements인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 열역학적 역상자성 및 반자성 전기성의 특성이 RM734에만 국한되지 않고, 페로일렉트릭 난류 메조젠에 일반적인 특성임을 보여준다. DIO에서도 동일한 거동가 관찰되었으며, 두 화합물의 $I_A$ 상에서는 짧은 거리 분포가 뚜렷하게 나타난다: 산산이 흩어지는 X선 산란은 측면 대 측면 상관관계와 메조스케일 조절을 보여주며, RM734는 80 Å의 주기성을 보이고, DIO는 분자 크기 척도 근처에서 층 구조 상관관계를 보인다.

ABSTRACT

The current intense study of ferroelectric nematic liquid crystals was initiated by the observation of the same ferroelectric nematic phase in two independently discovered organic rod-shaped mesogenic compounds, RM734 and DIO. We recently reported that the compound RM734 also exhibits a monotropic, low-temperature, antiferroelectric phase having reentrant isotropic symmetry (the $I_A$ phase), the formation of which is facilitated to a remarkable degree by doping with small (below $1\%$) amounts of the ionic liquid ${ m BMIM-PF}_6$. Here we report similar phenomenology in DIO, showing that this reentrant isotropic behavior is not only a property of RM734 but is rather a more general, material-independent feature of ferroelectric nematic mesogens. We find that the reentrant isotropic phases observed in RM734 and DIO are similar but not identical, adding two new phases to the ferroelectric nematic realm. The two $I_A$ phases exhibit similar, strongly peaked, diffuse x-ray scattering in the WAXS range $(1

연구 동기 및 목표

• RM734에서 관찰된 역상자성 및 반자성 전기성의 특성이 이 화합물에만 국한되는지, 아니면 페로일렉트릭 난류 메조젠에 일반적인 특성인지 조사하기 위해.
• X선 산란 및 열분석을 이용하여 RM734와 DIO의 $I_A$ 상의 구조적 및 상 행동을 비교하기 위해.
• DIO의 $I_A$ 상이 RM734와 유사한 산산이 흩어지는 산란 특성을 보이는지 확인하여 공통된 물리적 기초를 밝혀내기 위해.
• 이온 도핑이 두 물질의 $I_A$ 상을 안정화시키는 데 미치는 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 페로일렉트릭 난류 액체 결정 RM734와 DIO의 합성 및 특성 분석.
• WAXS를 사용하여 $I_A$ 상의 짧은 거리 분자 배열을 탐구하기 위해.
• SAXS 분석을 통해 메조스케일 조절 및 주기성을 탐지하기 위해.
• 상 전이를 식별하고 $I_A$ 상 존재를 확인하기 위해 열분석을 수행하기 위해.
• RM734와 DIO의 X선 산란 패턴을 비교하여 $I_A$ 상의 구조적 유사점과 차이점을 파악하기 위해.
• 이온 액체 BMIM-PF6를 도핑하여 두 화합물의 $I_A$ 상 안정화에 미치는 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로일렉트릭 난류 상에서의 역상자성 및 반자성 전기성은 RM734에만 국한되는 물질적 특성인가, 아니면 페로일렉트릭 난류 메조젠의 일반적 특성인가?
• RQ2 RM734와 DIO의 $I_A$ 상에서 짧은 거리 분자 배열 상관관계는 어떻게 다를까?
• RQ3 DIO의 $I_A$ 상에서 관찰되는 산산이 흩어지는 X선 산란 특성의 기원은 무엇이며, RM734와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 이온 도핑을 통해 BMIM-PF6를 사용할 경우, RM734와 DIO의 $I_A$ 상은 어느 정도 안정화되는가?
• RQ5 RM734와 DIO의 $I_A$ 상은 유사한 메조스케일 주기성 또는 구조적 조절을 보이는가?

주요 결과

• DIO의 $I_A$ 상은 열역학적 역상자성 및 반자성 전기성을 나타내며, 이는 이러한 현상이 RM734에만 국한되지 않고 페로일렉트릭 난류 메조젠에 일반적인 특임을 확인한다.
• RM734와 DIO 모두 WAXS 범위(1 < q < 2 Å⁻¹)에서 강한 피크를 보이는 산산이 흩어지는 X선 산란을 보이며, 이는 짧은 거리의 측면 대 측면 분자 배열을 의미한다.
• RM734에서는 $I_A$ 상에서 q ≈ 0.08 Å⁻¹에 단일 산산이 흩어지는 피크가 나타나며, 이는 약 80 Å 주기의 메조스케일 조절을 의미한다.
• DIO에서는 $I_A$ 상에서 분자 길이의 역수 근처에 더 날카운 산산이 흩어지는 피크(q ≈ 0.27 Å⁻¹)가 나타나며, 명확한 제2 및 제3 고조파가 관찰되어 스메크틱 층 유사한 짧은 거리 순서를 나타낸다.
• DIO의 $I_A$ 상은 분자 치수와 관련된 주기성으로 인해 고유한 구조적 서명을 보이며, 이는 RM734와는 다를 바 있는 분자 상관 메커니즘을 시사한다.
• 이온 액체 BMIM-PF6의 존재는 두 화합물의 $I_A$ 상을 뚜렷이 안정화시키며, 이는 이러한 드문 상을 관찰하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.