一种液晶材料双折射率计算方法及一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法技术

本发明专利技术公开了一种液晶材料双折射率计算方法及一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法；涉及液晶材料技术领域；解决现有技术中太赫兹液晶材料的双折射率计算方法不够精确，导致太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法不够精确的技术问题；所述液晶材料双折射率计算方法基于改进后的Vuks方程，不依赖任何经验参数，更加精确；所述分子设计方法包括以下步骤：建立待计算液晶材料的分子结构并进行DFT基态优化得到稳定构型，以此为基础进行Vuks计算和极化率密度分析，进而设计出具有大双折射率的液晶材料；所述液晶材料双折射率计算方法和所述分子设计方法适用于设计在太赫兹波段具有较大双折射率Δn的液晶材料，精确性较高，实用性较强。实用性较强。实用性较强。

【技术实现步骤摘要】
一种液晶材料双折射率计算方法及一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法


[0001]本专利技术属于液晶材料
，具体涉及太赫兹波段液晶材料


技术介绍

[0002]太赫兹波(THz)是指频率介于微波与红外波段之间的电磁辐射，在信息通信、生物医疗、材料科学和国防安全等领域具有广阔的应用前景。近十年来，国际上太赫兹辐射源及其探测技术取得了长足的进展。我国处于太赫兹技术应用拓展初期，国家非常重视和支持太赫兹领域的发展，陆续通过科技政策、基金项目给予重点支持。其相关产业化为国家技术创新、国民经济发展提供了机遇，但是，太赫兹传输和谐振系统中可调控功能器件的匮乏，限制了太赫兹技术的实际应用。
[0003]液晶(LC)材料具有介电和光学各向异性、对外场敏感性好、易于低压调控等优点，其作为电控调制介质在THz波段信号调制处理领域有着巨大的应用潜力。因而，寻求成熟的基于液晶设计的可见
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近红外波段元器件(如：开关、衰减器、滤波片、偏振控制器等)在THz频段的直接对映，并以此实现对太赫兹波的操控，成为了国际学术研究的前沿和热点。
[0004]然而，在THz波段，液晶材料的双折射率Δn会随着波长的增加而变小，基于常规液晶材料设计的太赫兹调制器件要达到与可见光波段同样的位相调制量，需要的液晶盒厚度要达到毫米量级，这将会导致液晶的均匀配向与有效控制无法实现。由此可见，设计和制备在THz频段具有较大双折射率Δn的新型液晶材料，是发展实用LC
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THz调制器件的当务之急。
[0005]开发新型液晶材料所需要解决的首要问题是明确液晶分子结构与THz光学性质之间的关系。而传统的实验研究更侧重于关注液晶材料在THz波段的宏观光电特性，对于更深层次的材料组织演化与结构变形的交互作用机制揭示的不够。因此，用理论计算的方法预测液晶材料的双折射率Δn一直是国际上持续关注的热点。
[0006]Vuks方程在液晶材料的宏观折射率各向异性和分子的微观电子极化率之间建立了联系，为计算液晶材料含频率及温度的双折射率Δn提供了厚实的理论基础。国内外学者利用Vuks方程结合量子化学方法模拟计算了大量向列相液晶分子在可见光和红外波段的双折射率Δn，出现了很多具有借鉴意义的研究成果。
[0007]例如，陈泽章课题组在2016年的博士学位论文(太赫兹波段液晶材料光学特性密度泛函理论研究)中公开了式2
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71和2
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72的Vuks方程，其中涉及分子数密度N可以通过公式N＝ρNA/M计算得到，其中ρ为液晶质量密度，通常根据经验取为1。但这种双折射率Δn计算方法不够精确，导致基于该双折射率Δn计算方法的液晶分子设计方法同样不够精确。因此，急需开发一种精确度更高的液晶材料双折射率计算方法及一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种液晶材料双折射率计算方法及一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法。
[0009]本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种液晶材料双折射率计算方法。所述方法包括以下步骤：
[0011]S1：建立待计算液晶材料的分子结构，并进行DFT基态优化得到稳定构型；
[0012]S2：计算太赫兹波段的平均电子极化率α以及极化率各向异性Δα；
[0013]S3：计算液晶材料的分子体积V；
[0014]S4：计算序参数S；
[0015]S5：建立适用于描述液晶材料在太赫兹波段极化各项异性的有效场模型，得到改进后的Vuks方程；
[0016]S6：将平均电子极化率α、极化率各向异性Δα、分子体积V和序参数S代入改进后的vuks方程，计算非寻常光折射率n
e
和寻常光折射率n
o
；
[0017]S7：计算液晶材料的双折射率Δn。
[0018]进一步，步骤S1中，利用Gaussian09程序包，以OPT+FREQ计算类型，使用B3LYP泛函结合6
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311G(d)基组优化液晶材料分子结构。
[0019]进一步，步骤S2中，使用M06
‑
2X泛函结合6
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311+G(2d,p)基组计算平均电子极化率α。
[0020]进一步，步骤S2中，采用CPHF方法进行计算。
[0021]进一步，步骤S5中，改进后的Vuks方程具体表达式为：
[0022][0023][0024]其中V为分子体积，S为序参数，α为平均电子极化率，Δα为极化率各向异性，ε0为介电常数，n
e
为非寻常光折射率，n
o
为寻常光折射率。
[0025]进一步，步骤S7中，双折射率Δn通过下式计算：
[0026]Δn＝n
e
‑
n
o
ꢀꢀꢀ
(2)。
[0027]另外，本专利技术还提供了一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法，具体包括以下步骤：
[0028](1)根据以上任一项所述的一种液晶材料双折射率计算方法，计算液晶材料的双折射率Δn；
[0029](2)做极化率密度分析，定量化描述液晶材料分子中各个基团对平均电子极化率α的贡献；
[0030](3)结合太赫兹波与分子上电子云的相互作用模型，通过分子中的电子轨道分布讨论π电子共轭长度对平均电子极化率α的影响；
[0031](4)在步骤(2)和(3)基础上，从分子结构角度分别探究各个基团对双折射率Δn的影响规律；
[0032](5)设计出适用于太赫兹波段的具有大双折射率Δn的液晶材料。
[0033]进一步，步骤(2)具体包括：利用有限差分方法，计算液晶材料分子的极化率密度ρ，计算液晶材料分子中各个基团对平均电子极化率α的贡献。
[0034]进一步，步骤(2)和(4)中，所述基团包括侧链、桥键、核心结构和极性取代基。
[0035]相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：
[0036](1)本专利技术通过建立适用于描述液晶材料在太赫兹波段极化各项异性的有效场模型，改进了Vuks方程，得到了一种可以不依赖于任何经验参数，精确计算液晶材料THz频段双折射率Δn的方法；
[0037](2)改进后的Vuks方程里没有了液晶宏观质量密度ρ，而是包含单个液晶分子的体积V，分子体积V可以通过DFT密度泛函方法计算得到，不依赖于经验参数，准确性更高；
[0038](3)通过分子动力学模拟得到更准确的序参数S，也不依赖于经验参数。
附图说明
[0039]图1示出了三种含氟液晶材料分子结构和相变温度；
[0040]图2示出了实施例1计算得出的三种含氟液晶材料的分子体积、序参数、平均电子极化率和极化率各向异性；
[0041]图3示出了实施例1计算得出的三种含氟液晶材料在1.5THz时的双折射率和相应的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液晶材料双折射率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立待计算液晶材料的分子结构，并进行DFT基态优化得到稳定构型；S2：计算太赫兹波段的平均电子极化率α以及极化率各向异性Δα；S3：计算液晶材料的分子体积V；S4：计算序参数S；S5：建立适用于描述液晶材料在太赫兹波段极化各项异性的有效场模型，得到改进后的Vuks方程；S6：将平均电子极化率α、极化率各向异性Δα、分子体积V和序参数S代入改进后的Vuks方程，计算非寻常光折射率n
e
和寻常光折射率n
o
；S7：计算液晶材料的双折射率Δn。2.根据权利要求1所述的太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法，其特征在于，步骤S1中，利用Gaussian09程序包，以OPT+FREQ计算类型，使用B3LYP泛函结合6
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311G(d)基组优化液晶材料分子结构。3.根据权利要求1所述的太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法，其特征在于，步骤S2中，使用M06
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2X泛函结合6
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311+G(2d,p)基组计算平均电子极化率α。4.根据权利要求1所述的太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法，其特征在于，步骤S2中，采用CPHF方法进行计算。5.根据权利要求1所述的太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法，其特征在于，步骤S5中，改进后的Vuks方程具体表达式为：骤S5中，改进后的Vuks方程具体表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽章，苏芸，遆瑞霞，石庆民，王雁，
申请(专利权)人：新乡学院，
类型：发明
国别省市：