CN114300070A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114300070A CN114300070A CN202111647582.9A CN202111647582A CN114300070A CN 114300070 A CN114300070 A CN 114300070A CN 202111647582 A CN202111647582 A CN 202111647582A CN 114300070 A CN114300070 A CN 114300070A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- liquid crystal
- crystal material
- birefringence
- terahertz
- polarizability
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及太赫兹波段液晶材料技术领域。
背景技术
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。
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-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。
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-THz调制器件的当务之急。
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。
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。
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2-71和2-72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。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明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。
本发明采用的技术方案如下：
一种液晶材料双折射率计算方法。所述方法包括以下步骤：
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ne和寻常光折射率no；
S7：计算液晶材料的双折射率Δn。
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6-311G(d)基组优化液晶材料分子结构。
进一步，步骤S2中，使用M06-2X泛函结合6-311+G(2d,p)基组计算平均电子极化率α。
进一步，步骤S2中，采用CPHF方法进行计算。
进一步，步骤S5中，改进后的Vuks方程具体表达式为：
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，ne为非寻常光折射率，no为寻常光折射率。
进一步，步骤S7中，双折射率Δn通过下式计算：
Δn＝ne-no (2)。
另外，本发明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：
(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；
(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；
(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；
(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；
(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。
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。
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。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明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；
(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；
(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
图1示出了三种含氟液晶材料分子结构和相变温度；
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；
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验值；
图4示出了实施例1计算得出的三种含氟液晶材料在1.5THz时的双折射率和极化率各向异性以及相应的实验值；
图5示出了三种含氰基液晶材料及实施例2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验值；
图6示出了对比例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验值。
具体实施方式
以下示出实施例以及比较例更详细地说明本发明。本发明不限于以下的实施例。
实施例1
一种液晶材料双折射率计算方法。所述方法包括以下步骤：
S1：选取三种如图1所示分子结构的含氟液晶材料，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，具体地，利用Gaussian09程序包，以OPT+FREQ计算类型，使用B3LYP泛函结合6-311G(d)基组优化液晶材料分子结构；
S2：使用M06-2X泛函结合6-311+G(2d,p)基组，采用CPHF方法计算太赫兹波段的平均电子极化率α，继而计算得到极化率各向异性Δα；
S3：通过DFT密度泛函方法计算液晶材料的分子体积V；
S4：通过分子动力学模拟计算序参数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，得到如下所示的改进后的Vuks方程：
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，ne为非寻常光折射率，no为寻常光折射率。
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，计算即可得到液晶材料在不同波段的非寻常光折射率ne和寻常光折射率no；
S7：计算液晶材料的双折射率Δn：
Δn＝ne-no (2)。
实施例2
一种液晶材料双折射率计算方法。所述方法包括以下步骤：选取三种如图5所示的系列含氰基液晶材料，其他步骤与实施例1中相同。
实施例3
本实施例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：
(1)根据实施例1和/或实施例2中公开的液晶材料双折射率计算方法，计算液晶材料的双折射率Δn，其中选取的液晶材料包括但不限于实施例1所示出的含氟液晶材料和实施例2所示出的含氰基液晶材料；
(2)做极化率密度分析，定量化描述液晶材料分子中侧链、桥键、核心结构和极性取代基等各个基团对平均电子极化率α的贡献；
(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；
(4)在步骤(2)和(3)基础上，从分子结构角度分别探究侧链、桥键、核心结构和极性取代基等各个基团对双折射率Δn的影响规律；
(5)指明设计出适用于太赫兹波段的具有大双折射率Δn的液晶材料的思路和方法。
对比例1
一种液晶材料双折射率计算方法。所述方法包括以下步骤：
S1：选取三种如图1所示分子结构的含氟液晶材料，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，具体地，利用Gaussian09程序包，以OPT+FREQ计算类型，使用B3LYP泛函结合6-311G(d)基组优化液晶材料分子结构；
S2：利用DFT方法计算可以得到液晶分子随频率变化的平均极化率α及极化率各向异性Δα；
S3：建立传统的Vuks方程：
其中S为序参数，S根据经验取为0.6，
N为分子数密度，N＝ρNA/M，M为分子量，NA为阿伏伽德罗常数，ρ为液晶宏观质量密度，液晶宏观质量密度ρ根据经验取为1；
α为平均电子极化率，Δα为极化率各向异性，ne为非寻常光折射率，no为寻常光折射率，n为折射率；
S4：将平均电子极化率α、极化率各向异性Δα、序参数S、分子数密度N代入以上传统的Vuks方程，计算即可得到液晶材料在不同波段的非寻常光折射率ne和寻常光折射率no；
S5：计算液晶材料的双折射率Δn：
Δn＝ne-no (2)。
实施例1-3及对比例1的结果分析如下：
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，可见随着在液晶分子中间苯环上氟原子数目的增加，分子的体积V变大，极化率各向异性Δα减小。
图3是利用改进后的Vuks方程计算所得的在1.5THz时的折射率和双折射率，并和参考文献(Urszula Chodorow,Janusz Parka,Przemyslaw Kula,Jakub Herman,OlgaChojnowska,Roman Dabrowski&Vladimir G.Chigrinov,[J].Terahertz properties offluorinated liquid crystals,Liquid Crystals,2013,40:11,1586-1590.)中的实验数据进行对比，可见计算值和实验值符合较好，说明本实施例所提供的液晶材料双折射率计算方法准确率较高。
需要说明的是，图1所示的三种含氟液晶材料仅是示例性的，用来验证实施例1所提供的液晶材料双折射率计算方法具有较高准确率，实际上实施例1所提供的液晶材料双折射率计算方法具有普适性，针对其他液晶分子材料的双折射率Δn计算同样具有较高准确率，因此适用于实施例3的太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法。
图5示出了三种含氰基液晶材料及实施例2计算得出的三种含氟液晶材料在1.5THz时的双折射率，并和参考文献(Vieweg N,Shakfa M,Koch M 2011J.InfraredMillim.Te.32 1367)中公开的实验数据进行对比，可见计算和实验符合较好，说明本实施例所提供的液晶材料双折射率计算方法准确率较高，与实施例1的结论一致。
对比例1的液晶材料双折射率计算方法，是参考文献(陈泽章，太赫兹波段液晶材料光学特性密度泛函理论研究，2016)中第27-29页公开的方法进行设置的，需要说明的是，该博士论文中用
代表平均电子极化率(等同于本发明中的α)，用Δ
代表极化率各向异性(等同于本发明中的Δα)。
对比例1采用的传统的Vuks方程中ne、no、n2这三个参量耦合在一块，其中
求解起来非常的麻烦。并且传统的Vuks方程中分子数密度N＝ρNA/M，包含液晶宏观质量密度ρ，而液晶宏观质量密度ρ根据经验取为1，实际上忽略了不同类型液晶的差异。此外，传统的Vuks方程还有序参数S，现有技术中通常都是根据经验取为0.6，不够精确。因此，对比例1所采用的液晶材料双折射率计算方法精确度较差，双折射率Δn的计算值和实验值对比结果如图6所示。
与对比例1相比，实施例1采用的改进后的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。而且，实施例1可以通过分子动力学模拟得到更准确的序参数S。所以，整个计算过程可以做到不依赖任何经验参数，对于计算新型液晶分子具有一定的意义。
图4示出了实施例1计算得出的液晶材料在1.5THz时的双折射率和极化率各向异性以及相应的实验值。从图4可见，理论计算和实验测量的双折射率Δn符合的很好，并且随着极化率各项异性Δα的降低，其宏观双折射率Δn也相应降低。
综合图3和图4分析可知，随着液晶分子微观极化率各项异性Δα的降低，其宏观双折射率Δn也相应降低。可见极化率变化是双折射率Δn变化的微观机制，可以直接反映双折射率Δn的变化，所以本课题组采用了极化率密度分析方法，来考量分子各基团对极化率的贡献，进而考量各基团对双折射率Δn的贡献，最终指明设计出适用于太赫兹波段的具有大双折射率Δn的液晶材料的思路和方法。
Claims (9)
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ne和寻常光折射率no；
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6-311G(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M06-2X泛函结合6-311+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：
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，ne为非寻常光折射率，no为寻常光折射率。
6.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S7中，双折射率Δn通过下式计算：
Δn＝ne-no (2)。
7.一种太赫兹大双折射率液晶材料的分子设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据权利要求1-6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；
(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；
(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；
(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；
(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。
8.根据权利要求7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(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。
9.根据权利要求7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(2)和(4)中，所述基团包括侧链、桥键、核心结构和极性取代基。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111647582.9A CN114300070A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111647582.9A CN114300070A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 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 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114300070A true CN114300070A (zh) | 2022-04-08 |
Family
ID=80974061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111647582.9A Pending CN114300070A (zh) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114300070A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4322169A1 (en) * | 2022-08-09 | 2024-02-14 | Dassault Systemes Americas Corp. | Refractive index calculations for materials |
-
2021
- 2021-12-29 CN CN202111647582.9A patent/CN114300070A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4322169A1 (en) * | 2022-08-09 | 2024-02-14 | Dassault Systemes Americas Corp. | Refractive index calculations for materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Simulated pressure-induced blue-shift of phase-matching region and nonlinear optical mechanism for K3B6O10X (X= Cl, Br) | |
| Zhu et al. | Broadband plasmon induced transparency in terahertz metamaterials | |
| Qi et al. | Multiple Fano resonances in metal–insulator–metal waveguide with umbrella resonator coupled with metal baffle for refractive index sensing | |
| Li et al. | Electromagnetically induced transparency in terahertz metasurface composed of meanderline and U-shaped resonators | |
| Zhang et al. | Flexible thermal responsive infrared reflector based on cholesteric liquid crystals and polymer stabilized cholesteric liquid crystals | |
| Zheng et al. | Band-stop filters based on a coupled circular ring metal–insulator–metal resonator containing nonlinear material | |
| Mouadili et al. | Electromagnetically induced absorption in detuned stub waveguides: a simple analytical and experimental model | |
| Wilk et al. | THz spectroscopy of liquid crystals from the CB family | |
| CN114300070A (zh) | 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 | |
| Liu et al. | Plasmon-induced transparency and refractive index sensing based on a trapezoid cavity coupled with a hexagonal resonator | |
| Hu et al. | Investigation of Fano resonance in compound resonant waveguide gratings for optical sensing | |
| Morozov et al. | One-dimensional photonic crystals with a sawtooth refractive index: another exactly solvable potential | |
| Ding et al. | Multiple Fano resonances based on clockwork spring-shaped resonator for refractive index sensing | |
| Pu et al. | Fano resonance induced by mode coupling in all-dielectric nanorod array | |
| Guo et al. | Band-stop filter based on tunable Fano resonance and electromagnetically induced transparency in metal-dielectric-metal waveguide coupling systems | |
| Ye et al. | Electrically tunable absorber based on nonstructured graphene | |
| Dong et al. | Numerical study on the biosensing in mid-infrared based on multiple Fano-resonance plasmonic waveguide | |
| Yu et al. | Tunable Fano and coupled-resonator-induced transparency resonances in the waveguide-coupled inverted nested ring resonator | |
| Mai et al. | Refractive plasmonic sensor based on Fano resonances in an optical system | |
| Wu et al. | Photonic crystal fiber polarization filter with two large apertures coated with gold layers | |
| Wang et al. | Optomechanically tuned Fano resonance and slow light in a quadratically coupled optomechanical system with membranes | |
| Chen et al. | Massive, soft, and tunable chiral photonic crystals for optical polarization manipulation and pulse modulation | |
| Long et al. | Robust subwavelength focusing of surface plasmons on graphene | |
| Farezi et al. | Temperature-dependent characterization of optical parameters in novel high birefringence nematic liquid crystal mixtures: an empirical investigation | |
| Zhang et al. | Refractive index sensor based on multiple Fano resonances excited by MIM waveguide couplessd hexagonal nut and square ring resonators |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |