一种高介电高极性的新型向列相液晶材料及其制备方法

本发明涉及液晶材料开发及应用，尤其涉及一种高介电高极性的新型向列相液晶材料及其制备方法。

背景技术：

1、铁电材料因具备自发极化的特点在半导体微电子器件、微型电容器、日常电子设备以及光学倍频器件中现得到了广泛的应用。铁电材料是一类重要的功能材料，它的本质特征是具有自发极化，且自发极化可在电场下转向。其中弛豫铁电体是十分引人注目且被广泛研究的铁电功能材料之一。弛豫铁电体具有极高的介电常数、相对低的烧结温度以及大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器(mlcc)和新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景。其中透明弛豫铁电体具有优异的电光和开关特性,可用于电光存储、开关和记忆元件。在软物质中的铁电体目前有聚合物pvdf类，以及在手性液晶smc*相中也观察到了铁电性的存在。在聚合物pvdf类铁电体中可以通过形变等手段来改变相行为，使其既具有铁电性也具有弛豫铁电性，然而smc*相液晶材料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。纵观传统弛豫铁电材料的普遍缺点有制备过程中需要高温烧结、研磨，不仅制备困难且易引入杂质，大多为粉末材料不能形成均匀薄膜，不具柔性，更无流动性，这使得应用方向受到限制。如果有一种材料能够兼备柔性流动性，和铁电性则能够填补这类材料的应用空白，液晶材料最有可能发展成为这类材料。

2、液晶作为一种高性能各向异性材料，在液晶显示领域的应用已经成为信息显示工业主流技术，广泛存在于生活中各种显示器种类中。此外，液晶材料在微波/毫米波/太赫兹波段的介电调谐性质，使得其广泛应用于滤波器、移相器、相控阵雷达、5g通信网络等基于液晶光学器件中。因此，液晶可谓是近几十年来最重要的材料之一。液晶显示技术和液晶材料的日趋成熟也导致了液晶的基础研究及工业发展的放缓。传统液晶为非极性流体，介电常数低，不具备极化特性，在某些核心技术指标(如介电常数、电场响应速度)提升和新型光电功能开发上具有局限性。虽然born在1916年便预测了流体铁电材料的存在，直到1974年人们才首次在层状相液晶(铁电性层状近晶相，smc*)材料中发现流体铁电性的存在。但此类材料极性和铁电性较弱，且呈半固体态，流动性很差；同时，具有太多缺陷结构，无法和显示应用以及柔性器件等接轨。2017年，日本的nishikawa博士与英国的goodby团队分别独立发现了一类液态的强极性液晶材料，后来被美国的clark团队证明是铁电向列相液晶。

3、相比于传统的液晶或软物质材料，铁电向列相液晶具备多种变革性性质。第一，极性nf液晶的介电常数超过104(1～10khz)，这也是目前软物质材料中观测到的最高介电值(传统有机材料或smc*的100倍以上)，可与众所周知的无机铁电或弛豫铁电体材料媲美。第二，在无任何强电场取向及任何相位匹配优化的条件下，该类nf材料的二阶非线性光学响应系数(deff)能够超过10pm/v，与无机铁电固体材料相当。第三，铁电序构使nf液晶比n液晶对电场更加敏感，低至1v/cm的电场便足以克服nf的取向弹性，测得的极化密度高达6×10-2c/m2。第四，nf液晶对外界电场具有超快响应性，响应时间及松弛时间都达到微秒级别。但铁电向列相液晶材料目前尚处于起步阶段，在这些优越的特性背后仍有许多关键问题需要克服，首先是难形成室温稳定铁电向列相，粘度较大、响应慢、双折射系数δn偏低(＜0.2)，这些特点对于器件制备来说都是致命的。因此，在传统向列相液晶材料中引入铁电向列相液晶构建纳米极性畴区，开发具有弛豫铁电特性的新型液晶材料对推进铁电液晶材料的应用具有重大意义，为实现软物质在新型存储设备，柔性高端光电子器件领域的应用提供了新视角。

技术实现思路

1、本发明的目的为提供一种高介电高极性的新型向列相液晶材料及其制备方法，以解决rm734和dio被报道之后，铁电向列相液晶材料的基本物性已得到研究，首先是具有巨大的介电常数，比传统晶体材料的介电常数高出一个数量级，典型的铁电体p-e滞后环、高的非线性光学响应，低电场响应等。在这些优越的特性背后仍有许多关键问题需要克服，首先是难形成室温稳定铁电向列相，粘度较大、响应慢、双折射系数δn偏低(＜0.2)，这些特点对于器件制备来说都是致命的。传统向列相液晶材料的特点正好与铁电向列相液晶材料相反，可室温稳定存在、粘度小、响应快速、双折射系数较高，但其固有的缺点是需要高的驱动电压的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种高介电高极性的新型向列相液晶材料的制备方法，混合两种以上的不同极性的向列相液晶，得到新型向列相液晶材料；一种为非极性的传统向列相液晶材料，另一种为铁电向列相液晶或反铁电向列相液晶材料。

4、作为优选，所述高介电高极性的新型向列相液晶材料的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)将传统向列相液晶分子p2、向列相液晶分子p3和溶剂混合，后真空干燥，得到均匀混合物z2；

6、(2)将nf相液晶5a、auuqu-n-n和溶剂混合，后真空干燥，得到均匀混合物x2；

7、(3)将均匀混合物z2、均匀混合物x2和溶剂混合，后真空干燥，得到均匀nr混晶；

8、(4)利用毛细作用将均匀nr混晶灌入液晶盒中，降温，使混晶形成均匀的平行或垂直取向织构，得到高介电高极性的新型向列相液晶材料。

9、作为优选，所述传统向列相液晶分子p2的结构式为：所述向列相液晶分子p3的结构式为：

10、

11、作为优选，所述传统向列相液晶分子p2和向列相液晶分子p3的质量比为1～2：1。

12、作为优选，所述nf相液晶5a的结构式为：所述auuqu-n-n的结构式为：

13、

14、作为优选，所述nf相液晶5a和auuqu-n-n的质量比为6～9：2。

15、作为优选，所述均匀混合物z2和均匀混合物x2的质量比为3～5：6。

16、作为优选，所述混合独立的为超声振荡混合，混合的超声频率独立的为20～40khz；所述真空干燥的温度独立的为50～70℃，真空干燥的时间独立的为2～4h。

17、作为优选，所述液晶盒由两片由聚酰亚胺垂直取向或未取向的ito玻璃基板制成。

18、作为优选，所述降温利用温度控制仪进行，降温的速率为0.5～2℃/min。

19、本发明还提供了所述高介电高极性的新型向列相液晶材料的制备方法制备得到的高介电高极性的新型向列相液晶材料。

20、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：

21、(1)本发明在传统向列相液晶材料中引入铁电向列相液晶分子，通过共混在传统向列相中构建铁电畴区，通过调控两类液晶分子之间极性梯度，偶极矩以及空间电荷相互作用的强度，构造出不同的极性拓扑结构，以获得高介电、高极化的新型向列相液晶材料，开发弛豫铁电液晶，解决铁电液晶多缺陷、粘度大、响应慢等问题。这种混合两种以上的不同极性的向列相液晶可实现高极性新型向列相液晶的方法在液晶材料的开发和应用领域尚处于首例；

22、(2)本发明所述的新型nr液晶材料具有高介电高极性特性，其极化行为可达到微库级别，与铁电向列相相媲美，但其在宏观却呈现传统n相相态，可均匀平行或垂直取向，无织构缺陷。nr液晶材料符合弛豫铁电三大特性，具有极性纳米微区，频率色散和弥散相变，与传统弛豫铁电材料相比，该材料兼备柔性、流动性和铁电性。通过混合两种以上的不同极性的向列相液晶可实现高极性新型向列相液晶的方法简单高效、条件温和。该方法推进了铁电液晶材料的应用进展，为实现软物质在新型存储设备，柔性高端光电子器件领域的应用提供了新视角。