Повышение электропроводности жидких кристаллов металлооксидными композитами графена

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11688 (2023) Цитировать эту статью

422 доступа

Подробности о метриках

Повышение электропроводности жидких кристаллов (ЖК) позволяет обойти проблемы их применения в современных электронных компонентах. Для этого предлагается использовать добавки из различных наноструктур, позволяющие создавать функциональные ЖК. В данной работе к нематическому ЖК E7 добавлялись различные концентрации нанокомпозита графен (Gr)/металл-оксид (Fe3O4) (GMN) (0,0001–1 мас.%). Мы обнаружили, что роль анизотропных чешуек Gr, их краев, а также добавок из поверхностно-декорированных оксидов металлов оказывает существенное влияние на электрические свойства E7. Ряд соответствующих добавок такого нанокомпозита повышает электропроводность ЖК. Этот эффект можно проследить по уменьшению образования агрегатов ГМН в Е7 и увеличению электростатического поля на краях листов Гр. Более того, наличие нанокластеров оксидов металлов из-за наличия кислородных вакансий и дефектов облегчает построение проводящей сетки для улучшения путей переноса заряда и способствует более сильному взаимодействию поверхности Gr с заряженными частицами. Эти факторы могут обеспечить слои Gr как дипольные моменты и привести к распространению сигнала в диэлектрической среде. Наше открытие открывает путь к значительному улучшению электропроводности в семействе LC, что может быть полезно для функциональных приложений.

Легирование жидких кристаллов (ЖК) наноматериалами представляет собой важную стратегию настройки их свойств1. Легированные ЖК демонстрируют значительно улучшенные свойства по сравнению с нелегированными, а также обеспечивают долговременную стабильность для промышленного применения2,3,4,5. Показано, что малые загрузки различных наноматериалов с нулевой, одно- и двумерной структурой, диспергированных в средах ЖК, могут существенно влиять на их физические свойства, особенно на распределение пространственного заряда6,7,8,9,10,11. Например, такое легирование может влиять на электрооптический отклик, а также на электрическое поведение ЖК12,13. В этом отношении два основных фактора наноматериалов, а именно соотношение их поверхности к объему, а также взаимодействие между активными агентами и ионами ЖК, могут сделать их перспективными кандидатами для требовательных приложений14.

Улучшение электропроводности ЖК за счет легирования также может повлиять на их свойства для более функционального применения15. На сегодняшний день это было достигнуто за счет включения высоких концентраций наноматериалов в ЖК, что может привести к усилению ионной проводимости11 и ухудшению электрооптического отклика из-за образования агрегатов16. Более того, в случае образования цепочек и сеток увеличение проводимости постоянного тока может нарушить свойства ЖК. Исследования показали этот эффект для ЖК, легированных наночастицами из углеродных нанотрубок, металлов и полимерных включений6,17,18,19. Альтернативно, лучшее использование поведения жидких кристаллов для требовательных приложений требует понимания ионных явлений в ЖК, легированных наноматериалами20,21, и идентификации процессов, которые приводят к очистке ЖК с оптимальными значениями наноматериалов14,15,22,23. Учитывая попытки оптимизации свойств ЖК в некоторых областях путем функционализации наночастиц11,24,25, очистка наряду с улучшением проводимости требует использования низких концентраций наноматериалов в ЖК. Следовательно, наноматериалы необходимо по-разному обрабатывать поверхность26, чтобы настроить их эффективную роль в ЖК.

Графен (Gr) — один из хорошо известных 2D-наноматериалов, который может управлять электрическими свойствами ЖК27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. Эффективность слоев Gr в различных фазах ЖК часто приводит к двум результатам: (I) Когда листы Gr смешиваются с ЖК, их электростатическое поле и экранирующий эффект приводят к подавлению ионного поведения, такого как снижение ионной плотности, диффузии, проводимости, и частота релаксации в результате процесса захвата ионов/аннигиляции заряда22; (II) Взаимодействие между сотовой структурой Gr и бензольными кольцами молекул ЖК приводит к планарной стабилизации директоров ЖК на поверхности слоев Gr и приводит к улучшению диэлектрической анизотропии38.