一种铁电近晶A相液晶材料及其实现双态极化结构切换保存的方法技术

本发明专利技术公开一种铁电近晶A相液晶材料及其实现双态极化结构切换保存的方法。本发明专利技术基于铁电近晶A相液晶材料。此类材料具有铁电属性，能够表现宏观极性。通过施加电场，使液晶极化结构发生切换，其切换后的极化结构在电场撤去后依然能够稳定存在，实现双态极化结构的切换与保存。在液晶信息储存器件领域具有广泛的应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种铁电近晶A相液晶材料及其实现双态极化结构切换保存的方法


[0001]本专利技术属于液晶光学材料及应用领域，公开了一种铁电近晶A相液晶实现极化结构切换与保存的方法。在数据储存等领域具有广泛应用前景。

技术介绍

[0002]铁电材料(Ferroelectrics)因其电极化P与电场强度E间存在与铁磁性材料(Ferromagnetics)中磁化强度M与磁场强度H间相似的滞回关系而得名。1920年法国科学家Joseph Valasek首次在罗息盐中观察到铁电现象。具有自发极化，且极化方向能够在外电场中作用下发生转向，是铁电材料的主要特征。传统的固体基铁电体如钛酸钡、锆钛酸铅等，早已成为现代信息技术不可或缺的基石之一，在数据存储、传感器、机械致动器和光电应用等方面有着广泛的应用。
[0003]在传统固体材料之外，在液晶这样的软物质流体中能否存在铁电性这一问题很早开始就被研究者们关注。在1916年，著名物理学家Born提出了存在液晶中存在铁电向列相秩序的设想，假设棒状的液晶分子具有足够大的偶极矩(μ>6D)，此时，分子与分子之间的偶极
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偶极相互作用足以克服热波动，使得液晶分子的电偶极子的方向能够自发定向排列，产生宏观极性。且这种铁电秩序能够稳定的存在。但遗憾的是，实验上一直没有验证这种铁电向列相能够存在。一般认为，棒状液晶分子可以具有纵向或横向偶极子，但因其头尾等效方向和绕分子长轴的自由旋转可以分别防止纵向极化和横向极化，使得液晶普遍表现为非极性。
[0004]直到1974年，人们首次发现了具有铁电性的液晶软材料，由Meyer与Keller合作合成了第一个铁电液晶材料
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对癸氧基亚苄基对氨基
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甲基肉桂酸丁酯(DOBAMBC)。这是一种手性近晶C相液晶，具有层状结构，分子在每一层中相对于层法线以一定角度倾斜，层与层之间存在方位角的扭曲，相当于分子长轴沿层法线的方向螺旋，使得液晶材料表现出手性特征，具有螺距。这一发现在液晶研究领域乃至铁电体家族中具有里程碑意义，开创了新型液晶材料与器件研究的新方向，但手性近晶C相液晶因其有序度更高的层状结构而呈半固体态，基本上无流动性，同时普遍具有较多缺陷结构，在柔性光电器件以及显示领域的技术发展受限。后续三十多年间，人们陆续开发了多种系列的铁电性层状相液晶材料，但向列相的铁电堆积秩序能否在液晶中实现这一问题，一直没能得到实验的验证，直到一个世纪以后，2017年，日本九州大学的Kikuchi Hirotsugu教授等人合成了一种新型的、具有强极性向列相结构的液晶分子DIO(A Fluid Liquid
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Crystal Material with Highly Polar Order.,Adv.Mater.2017,29,1702354)。其具有超高介电常数，比传统液晶大几百倍，还表现出极强的二次谐波响应。这种液晶材料具有宏观极化，在电场作用下，液晶分子会形成具有特定极化方向的铁电畴区。这种具有铁电特征的液晶被称为铁电向列型(Ferroelectric nematic)液晶。铁电向列相液晶材料是第一种液体基铁电体材料，它的出现广泛扩展了铁电物质的范畴。区别于传统铁电材料，其同时具有铁电性质和作为液态材料的高流动性。具
备了实现薄型、柔性和可重构铁电器件的巨大潜力。然而，尽管铁电向列相液晶材料表现出超过传统铁电体的超高电场灵敏度，其自发极化结构可以在施加的微小电场驱动下发生改变。但由于铁电向列型液晶本身的流动粘度、弹性效应以及表面极化锚定作用，铁电向列相液晶材料在撤去外加电场后，其自发极化倾向于返回初始状态，难以表现出铁电记忆能力，限制了它们在储存器件等领域的应用。
[0005]为了探究铁电向列相液晶分子结构与其铁电性形成的关系，研究者们设计合成了很多液晶分子，在铁电向列相液晶材料相关极性衍生物中，又观察到了铁电近晶A相(Ferroelectric Smectic A)。铁电近晶A相液晶材料的结构与传统近晶A相液晶类似，棒状分子排列成层。在层内，分子长轴相互平行，并且垂直于层面，即平行于层法线方向。分子可以绕分子长轴旋转，层厚与分子长度相当。在此基础上，铁电近晶A相液晶层内的局部极化沿分子长轴方向取向有序，分子间通过偶极偶极相互作用形成自发极化，具有宏观极性(详见附图3)。铁电近晶A相液晶材料可以形成均匀的平面取向织构，具有单畴，作为具有流动性的铁电材料，铁电近晶A相液晶对电场有灵敏的响应，即便非常小的场强，也可以引起响应。可以通过对铁电近晶A相液晶施加面内电场，驱动液晶自发极化方向发生翻转。更令人惊喜的是，由于铁电近晶A相液晶本身堆积紧密的层状结构，其弹性与流动粘度较高，能够和表面极化锚定达成某种稳态。即便电场撤去，切换后的极化结构并不会恢复到初始状态(E＝0)，从而可以实现液晶极化信息的切换与记忆。同时，与传统的固态铁电材料相比，液晶材料具有良好的流动性，铁电近晶A相液晶的出现，为开发基于液态物质的新型柔性储存器件带来了曙光。

技术实现思路

[0006]本专利技术公开了一种铁电近晶A相材料，所述的铁电近晶A相液晶材料在传统近晶A相的层状结构基础上，能够自发极化，表现宏观极性，具有较强的二次谐波响应特征。其在高温表现为铁电向列相，在低温进入铁电近晶A相。其在铁电近晶A相状态时，能够对微小电场灵敏响应，其自发极化结构可以通过施加面内电场进行切换。其被改变的极化结构在电场撤去后依然能稳定存在。而且相比传统的固体基铁电体，这种铁电近晶A相液晶材料具有良好的流动性。在柔性储存领域有着广泛的应用前景。
[0007]本专利技术的目的是通过如下措施来达到：
[0008]一种铁电近晶A相液晶材料，所述铁电近晶A相材料在具有传统的近晶A相层状结构的基础上，具有宏观极性。所述铁电近晶A相材料液晶分子为棒状形态，分子首端带烷基链的二氧六环结构起给电子作用，同方向的氟取代基以及末端氰基起到吸电子作用，使得分子具有大偶极矩。非常强的偶极
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偶极相互作用，使分子的电偶极子指向矢朝同方向排列，显示出宏观极性，即铁电性；且极化方向可以在电场驱动下发生切换，切换后的极化结构可以稳定存在，表现出双态极化结构切换保存能力。
[0009]进一步地，所述铁电近晶A相液晶材料具有铁电属性(详见附图1、2)，能够表现出自发极化特征。
[0010]进一步地，所述铁电近晶A相材料为DIO极性衍生物，简称DIO
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CN，其结构如下：
[0011][0012]进一步地，所述铁电近晶A相液晶材料能够在液晶盒取向层均匀且同向的摩擦条件下，自发形成均匀的铁电单畴。
[0013]进一步地，所述铁电近晶A相液晶材料极化结构的切换与保存是基于铁电极化原理实现的。
[0014]进一步地，所述铁电近晶A相液晶材料极化结构的切换，是通过施加平面内电场驱动实现的，通过施加与极化方向相反的面内电场，使得所述材料的自发极化方向发生改变。
[0015]进一步地，所述铁电近晶A相液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁电近晶A相液晶材料，其特征在于，所述铁电近晶A相材料在具有传统的近晶A相层状结构的基础上，具有宏观极性，所述铁电近晶A相材料的首端带烷基链的二氧六环结构起给电子作用，同方向的氟取代以及末端氰基起到吸电子作用，使得分子具有大偶极矩，强的偶极偶极相互作用，使分子朝同方向排列，显示出宏观极性，即铁电性；且极化方向可以在电场驱动下发生切换，切换后的极化结构可以稳定存在，表现出双态极化结构切换保存能力。2.根据权利要求1所述铁电近晶A相液晶材料，其特征在于，所述铁电近晶A相材料为DIO极性衍生物，简称DIO
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CN，其结构如下：3.根据权利要求1所述铁电近晶A相液晶材料，其特征在于，所述铁电近晶A相液晶材料能够在取向层均匀同向摩擦条件下，自发形成均匀的铁电单畴。4.根据权利要求1所述铁电近晶A相液晶材料，其特征在于，所述铁电近晶A相液晶材料极化结构的切换与保存是基于铁电极化实现的。5.根据权利要求1所述铁电近晶A相液晶材料，其特征在于，所述铁电近晶A相液晶材料极化结构的切换，是通过施加平面内电场驱动实现的。6.根据权利要求1所述铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晓晨，黄明俊，邓明慧，宋耀豪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：