Eigenschaften thermotroper Flüssigkristalle im Terahertz-Frequenzbereich

Flachbildschirme finden sich heutzutage nahezu in jedem Haushalt. Ihren Durchbruch verdanken sie der Entwicklung flüssigkristalliner Zellen, welche schaltbare Filter darstellen. Als Basismaterial und schaltbares Element dienen Flüssigkristalle, welche eine einzigartige Stoffklasse bilden. Sie verein...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Reuter, Marco
Beteiligte: Koch, Martin (Prof.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2016
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Flachbildschirme finden sich heutzutage nahezu in jedem Haushalt. Ihren Durchbruch verdanken sie der Entwicklung flüssigkristalliner Zellen, welche schaltbare Filter darstellen. Als Basismaterial und schaltbares Element dienen Flüssigkristalle, welche eine einzigartige Stoffklasse bilden. Sie vereinen Eigenschaften kristalliner Strukturen mit den Fließeigenschaften von Flüssigkeiten. Durch ihre optische Anisotropie und die Möglichkeit einer gezielten Manipulation dieser durch elektrische oder auch magnetische Felder haben sie es von einer zunächst nur für Forscher interessanten Materie in den Alltag vieler Menschen geschafft. Der THz-Spektralbereich ist eines der bisher weniger stark erforschten Gebiete. Lange Zeit waren praktikable Sender und Empfänger nicht vorhanden. Im Forschungsbereich stehen mittlerweile verschiedenste Methoden zur Verfügung, jedoch ist die THz-Technologie in der Industrie bisher nur vereinzelt wiederzufinden. Neben Sendern und Empfängern ist die Strahlführung und Manipulation eine weitere wichtige Säule zur Weiterentwicklung der Technologie. Hier können Flüssigkristalle einen wichtigen Beitrag in der Entwicklung schaltbarer Elemente liefern. Grundlage hierfür ist zunächst das Verständnis der Eigenschaften von Flüssigkristallen im THz-Frequenzbereich. Dafür wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Aspekte genauer betrachtet. In Kapitel 5 wurde zunächst die Endgruppe eines Flüssigkristallmoleküls systematisch verändert. Hierbei wurde festgestellt, dass die Endgruppe neben der Ausrichtung in niederfrequenten elektrischen Feldern wesentlich die Doppelbrechung im THz-Frequenzbereich beeinflusst. Die Isothiocyanatgruppe beispielsweise verlängert das π-Elektronensystem und führt im THz-Frequenzbereich im Vergleich zu allen anderen Gruppen zu der höchsten Doppelbrechung. Flüssigkristalle mit dieser Endgruppe haben somit das größte Potential für spätere Anwendungen. Weiterhin wurde die Kernstruktur gezielt verlängert und dabei wurde ebenfalls ein starker Einfluss auf die Doppelbrechung festgestellt. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten und der Komplexität der Kernstruktur bieten sich in diesem Bereich weitere Untersuchungen an. Fügt man die Untersuchungen von N. Vieweg hinzu [8], welcher die Länge der Kohlenstoffkette genauer betrachtet hat, so entsteht ein erstes Bild der kompletten Struktur-Eigenschaftsbeziehung im Frequenzbereich bis 3 THz. Die Messungen im höheren Frequenzbereich, die in Kapitel 6 dargestellt sind, zeigen teils stark ausgeprägte Absorptionslinien, welche anhand von Rechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie zumeist intermolekularen Schwingungsmoden zugeordnet wurden. Zusätzlich fällt auf, dass die starken Absorptionen im THz-Frequenzbereich für Flüssigkristalle mit einer Isothiocyanatgruppe tendenziell zu höheren Frequenzen verschoben werden. Dadurch wird ein weiterer Grund geliefert Flüssigkristalle dieser Art für Bauelemente zu verwenden. Phasenübergänge stellen ein charakteristisches Merkmal eines Flüssigkristalls dar. Die verschiedenen Phasen zu identifizieren und deren Übergangstemperatur zu bestimmen bildet einen wesentlichen Bestandteil in der Charakterisierung von Flüssigkristallen. In Kapitel 7 wurde daher der Flüssigkristall CE8, welcher eine Vielzahl unterschiedlicher flüssigkristalliner Phasen aufweist, mittels THz-Zeitbereichsspektroskopie untersucht. Nahezu alle Phasenübergänge konnten anhand einer Änderung im Brechungsindex identifiziert werden. Die in Kapitel 2 unterteilten Gruppen an flüssigkristallinen Phasen zeigen aufgrund der strukturellen Umorientierung beim Übergang eine stärkere Änderung im Brechungsindex, während innerhalb der einzelnen Gruppen nur sehr kleine Veränderungen sichtbar sind. Nicht nur lineare Effekte fanden im Rahmen dieser Arbeit Beachtung. So konnte in der isotropen Phase der THz induzierte Kerr-Effekt zum ersten Mal in einem Flüssigkristall nachgewiesen werden (siehe Kapitel 8). Das zeitliche Verhalten lässt aufgrund der zeitlichen Dauer eines THz-Pulses im Pikosekunden-Bereich drei Effekte erkennen. Die stärkste Änderung folgt annähernd dem Quadrat der elektrischen Feldstärke des THz-Pulses. Anschließend sind zwei weitere Effekte mit unterschiedlichen Abklingzeiten zu beobachten, wobei der Effekt mit kürzerer Abklingzeit lokalen Umorientierungen einzelner Flüssigkristallmoleküle zugeordnet wurde. Weiterhin wurde festgestellt, dass ein um nahezu zwei Größenordnungen größerer Wert des nichtlinearen Brechungsindexes als bei Flüssigkeiten vorliegt. Stärker anwendungsbezogene Untersuchungen, welche direkt für zukünftige THz-Bauteile verwendet werden können, sind in Kapitel 9 zu sehen. Zunächst wurden anhand der bereits gewonnenen Ergebnisse Mischungen entwickelt, welche auf eine hohe Doppelbrechung im THz-Frequenzbereich optimiert wurden. Hier konnten Werte von ∆n=0,38 beobachtet werden, welche die bisher höchste gemessene Doppelbrechung in Flüssigkristallen bei THz-Frequenzen ist. Weiterhin wurden frequenzabhängig schaltbare und polymerstabilisierte Flüssigkristalle untersucht. Diese ermöglichen eine Vereinfachung der Bauteilstruktur und können die Schaltzeit entscheidend verringern. Projiziert man die Geschichte der Flüssigkristalle auf die THz-Technologie, stünden wir heutzutage erst am Anfang eines langen Weges. Der rasant wachsende Fortschritt lässt jedoch eine schnellere Etablierung erhoffen, in der Flüssigkristalle als Basismaterial schaltbarer Elemente eine große Rolle einnehmen können. Hierfür liefert die vorliegende Arbeit grundlegende Erkenntnisse über die Eigenschaften von Flüssigkristallen im THz-Frequenzbereich, auf welche zukünftige Entwicklungen aufbauen können.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2016.0070