CN109777446B

CN109777446B - 一种商业液晶的介电各向异性在太赫兹波段增大的混晶

Info

Publication number: CN109777446B
Application number: CN201910158708.2A
Authority: CN
Inventors: 陆红波; 郑安东; 杨乐; 高盛
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109777446A

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波段增大商业液晶的介电各向异性的液晶单体材料，其中液晶分子中心集团拥有苯环、炔键，侧链集团含有异硫氰基、卤素原子等，这些集体可以增加液晶的介电常数，当每种以2 wt%比例分别混入到商品液晶中得到新的混晶，并利用频率选择表面(FSS)的方法对两种液晶材料的介电各向异性进行测量和比较，在此配比下获得的商业性液晶材料的介电各向异性的到了16%增加。由于介电各向异性大的液晶会使其器件的可调谐性范围变大，这些增大商业液晶的介电各向异性的液晶单体材料对于THz液晶可调器件有很大的潜在的应用。

Description

一种商业液晶的介电各向异性在太赫兹波段增大的混晶

技术领域

本发明属于太赫兹液晶材料技术领域，尤其涉及一种太赫兹波段增大商业液晶的介电各向异性的液晶单体材料。

背景技术

液晶具有各向异性，拥有优异的化学稳定性，并且具有介电和光学各向异性、功耗低、质量轻、成本低、工艺简单等优点。可以通过改变外加电场或磁场实现调谐功能，因此可应用于制作THz波段的移相器、滤波器、偏振片和开关等。可调控太赫兹功能器件以及研究大介电各向异性液晶分子在太赫兹(THz)波段的光电特性成为THz技术的研究热点之一。

研究发现相比光学波段，目前普通液晶材料在THz波段的介电和光学各向异性较一般会有所降低。介电各向异性小的液晶导致其器件的可调谐性范围变弱。THz液晶器件要想获得高调制量必需要厚达毫米量级的液晶，这将会导致器件响应速度过慢，开关时间显著增强，无法在实际信号探测和调制中发挥作用。改善这些问题的有效途径就是设计制备出在THz频段拥有介电各向异性大的液晶。

为了弥补在THz波段上述普通商业液晶的介电各向异性小的不足，本专利通过本研究组合成八种液晶单体材料进行同比例的混和，制作出来的混晶，并用制作的FSS液晶盒进行介电常数的测量。这种材料将为性能优异的THz调致器件的制造和实用化带来新的机遇。

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹波段增大商业液晶的介电各向异性的液晶单体材料，通过8种大双折射液晶单体与普通商业液晶混合，让普通商业液晶介电各向异性在THz波段得到了增强。

为了实现上述的目的，本发明提供以下技术方案：

一种商业液晶的介电各向异性在太赫兹波段增大的混晶，通过合成的8种大双折射液晶单体分子材料，按照一定的比例添加商业液晶中，得到具有大介电各向异性的液晶材料。

所述液晶分子的中心集团拥有多个苯环和碳碳三键，其有利于提高液晶的光学各向异性。

所述液晶侧链集团包括烷基链-R基、氰基-CN、异硫氰基-NCS，这些集体有利于提高液晶的介电各向异性。

所述液晶侧基引入卤素原子以增大分子的宽度，适当降低熔点和粘度。

所述8种大双折射液晶单体分子材料的结构式如下所示：

把合成的8种液晶单体按照每种液晶单体2wt%比例与商业向列相液晶84wt%比例称取相应的液晶在热台上溶解均匀混合，得到相应的增加商业液晶的介电各向异性的混晶。

所述的商业液晶的介电各向异性在太赫兹波段增大的混晶，其制备方法包括以下步骤：

（1）首先确定液晶分子的刚性骨架，液晶具有多个苯环和碳碳三键，保证了很高的共轭程度，其次是确定侧基，侧基引入-F原子可以增大分子的宽度，适当降低熔点，最后是确定端基，有烷基链-R基、氰基-CN、异硫氰基-NCS三种，然后进行相应的化学合成；

（2）按照合成的8种大双折射液晶单体（每种2wt%比例）：商业向列相液晶E7（84wt%）比例称取相应的液晶在热台上溶解均匀混合。

本发明的原理是：

本发明利用大双折射率的液晶和商业液晶按照一定的比例互混，得到具有大介电各向异性的液晶。

本发明的优点是：

可以利用大双折射率的液晶以每种单体按一定的比例添加到商品液晶中，利用混晶增加商业液晶的介电各向异性，其方法简单，高效。

附图说明

图1所示为FSS的侧面结构示意图，其中a为未加偏转电压的FSS的侧面结构示意图，b为加偏转电压的FSS的侧面结构示意图。

图2所示为实施例液晶仿真和实际测量图，其中a为获得的E7液晶仿真和实际测量的图，b为获得的E7-2液晶仿真和实际测量的图。

具体实施方式

以下结合具体的实例对本发明的技术方案做进一步说明：

配制混合液晶溶液：

（1）首先先确定液晶分子的刚性骨架，液晶具有多个苯环和碳碳三键，保证了很高的共轭程度，其次是确定侧基，侧基引入-F原子可以增大分子的宽度，适当降低熔点，最后是确定端基，有烷基链-R基、氰基-CN、异硫氰基-NCS三种，然后进行相应的化学合成，得到的8种大双折射液晶单体结构式如下所示：

（2）按照合成的8种大双折射液晶单体（每种2 wt%比例）：商业向列相液晶E7（84wt%）比例称取相应的液晶；

（3）在热台上溶解均匀，制成液晶混合溶液。

频率选择表面液晶盒制备：

（1）将40mm×40mm×5mm的石英片，放入超声波清洗仪中，先用丙酮超声15min，再用无水乙醇超声15min，将石英片洗净后放到100℃加热台上烘干；

（2）称取1g铜，将清洗后的石英玻璃和纯铜放入镀膜机中，抽取真空后，加电流蒸发铜；

（3）将镀好铜层的石英片清洗并烘干后，放到旋涂仪上，真空吸附完全后，旋涂光刻胶AR-P 5350，转速设定为6S，600(r/min)，30S，3500 (r/min)；

（4）把旋涂好光刻胶的石英片放到100℃加热台(PC-4200)上烘5-10min；

（5）将烘干后的石英片放到掩膜对准光刻机(MA/BS6)的下层，之后装上掩膜版进行曝光，曝光时间设定为6秒进行曝光；

（6）取显影液（AR-300-26）：超纯水中= 1：7，配成显影液，之后将曝光完的镀铜的石英片放入其中显影，显影完成后用超纯水冲洗后并在热台上烘10min；

（7）刻蚀铜需要配制特殊的刻蚀液，其成分为：1g草酸铵、1.66g甘氨酸、0.5g过氧化氢、0.005g十二烷基苯磺酸钠和91.5ml超纯水，之后将显影完成的石英片放入刻蚀液中，用玻璃棒搅拌刻蚀30秒左右，刻蚀出图案化的铜，并用丙酮清洗表面的光刻胶；

（8）将刻蚀好的石英片图案和镀铜的底板放置在旋涂仪上旋涂PI溶液，转速设置为8S 800(r/min)，30S 2500 (r/min)，用丙酮擦掉一边电极上的PI，然后放在加热台上，100℃加热10min，150℃加热20min；

（9）再在带有石英片铜图案和未刻蚀镀铜的底板玻璃基板分别用毛刷进行摩擦，边缘涂混有45µm间隔子的紫外固化胶，把石英片上下扣在一起，在基板两端留有灌晶口；

（10）将两片石英片玻璃基板粘好，置于紫外灯下固化1min，制成反平行的FSS液晶盒；

（11）用移液枪吸取液晶，然后在FSS的液晶盒中灌入混晶，并用树脂胶封，放置半天。

测试液晶介电常数：

（1）把矢量网络分析仪的喇叭口和THz透镜的表面放置成一条直线，然后放置好FSS液晶盒；

（2）如图1所示，通过在液晶上下表面的金属层之间加偏压，使得液晶层中出现偏置电场，使得向列型液晶分子发生偏转，由于液晶分子水平与垂直时的介电常数不同，在液晶分子偏转后，其介电常数发生改变，这使得FSS的谐振频点发生改变，从而实现不同频点处的吸收峰发生变化；

（3）当电磁波遇到测试样品时，会发生反射和透射现象，再根据矢量网络分析仪测得的S参数计算出样品的复介电常数；

（4）在CST中对FSS的吸收峰进行仿真，得到结构工作频率下反射幅值如图2所示；在90-120GHz的范围内，测得E7的介电各向异性为0.43，加入8种液晶单后的混晶E7-2介电各向异性测得为0.5，其介电各向异性增加了约16.3%。

Claims

1.一种商业液晶的介电各向异性在太赫兹波段增大的混晶，其特征在于，合成8种大双折射液晶单体分子材料，把合成的8种大双折射液晶单体分子材料按照每种液晶单体2wt％比例与商业向列相液晶84wt％比例称取相应的液晶在热台上溶解均匀混合，得到相应的增加商业液晶的介电各向异性的混晶；

所述8种大双折射液晶单体分子材料的结构式如下所示：

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