液晶与碳纳米管的电光应用

一组研究人员最近研究了少量分散良好的多壁碳纳米管(MWCNTs)在向列相液晶混合物E7中，发现MWCNTs使E7的介电和电光性能提高了60%。这项研究发表在杂志上电子材料亚博网站下载．

研究：碳纳米管混合向列液晶的显示和光电应用．图片来源:Ad Gr/Shutterstock.com

什么是液晶？

液晶是现代电子显示器和电响应光学器件的重要组成部分。它们是纳米大小的固体晶体，由于其形状，在整体上表现出类似液体的波状特征。

与各向同性液体不同，LCs具有一定程度的有序性和各向异性。各向同性性质是那些与物质成分的方向和取向无关的性质，而各向异性性质则是相同成分方向和取向的结果。

液晶有几种类型，但由于其温度敏感性，热致液晶是光电器件的理想选择。在这种情况下，一个电场被用来使液晶保持在一个理想的温度范围内，这样所有的液晶都朝着一个特定的方向排列。

通过这些排列的晶体的光会产生偏振显示。像E7这样的向列液晶是热致液晶中最常见的子类别。

(一)表示E7 LC混合物中不同单体的wt%组分;然而,(b)描述了多壁碳纳米管的俯视图和前视图示意图（通过Avogadro软件设计）。图片来源：Singh，B.P.，等人，电子材料亚博网站下载

什么是多壁碳纳米管?

碳纳米管(CNTs)是由碳原子组成的六边形圆柱状结构，看起来就像一个卷起来的石墨烯薄片。单管碳纳米管称为单壁碳纳米管(SWCNT)，而同心多管碳纳米管称为多壁碳纳米管(MWCNTs)。

每层碳纳米管之间的范德华静电力使其具有比单壁碳纳米管更坚固的结构。碳纳米管因其高导电性、强度、弹性、导热性、电子场发射和长径比而闻名。碳纳米管与不同的聚合物和其他工程材料的混合显示出显著的混合性能。亚博网站下载

研究发现了什么?

研究人员在向列相LC - E7中混合了少量的MWCNTs，其浓度在0.001 - 0.05 wt%之间。然后，研究了均匀排列和垂直排列铟锡氧化物(ITO)电池内的电光性能和介电性能。ITO是一种透明的电子导电金属氧化物，用于大多数电子显示设备。

在室温(RT)下，原始E7 LC及其复合材料的透射率随外加电压的变化(V-T曲线)。图片来源:Singh, b.p.， et al.， Electronic Materials亚博网站下载

混合物的偏振光学显微照片（POM）证实了两种材料的均匀混合，并确保LC电池中没有颜色变化，即即使MWCNTs浓度增加，强度和发光仍保持不变。阈值电压（LCs开始自对准的最小电压）工作亚博网站下载电压基本不受影响。

然而，由于来自多壁碳纳米管壁的光散射，光的折射率和透射率略有降低。

此外，测定了掺杂mwcnts的纯向列相LC的离子浓度、扩散常数、直流电导率和离子迁移率。

在0.05 wt%以下的液相中，LC的苯基部分与MWCNTs的碳环之间形成了强烈的偶极-偶极相互作用，即范德华引力，从而提高了MWCNTs在液相中的介电各向异性和均匀分散。然而，较高的浓度会导致MWCNTs团聚，这是最佳浓度值，随着极性液晶的使用增加。

研究人员还发现，在最佳浓度下，多壁碳纳米管就像离子杂质的屏障，并通过离子捕获机制将其减少高达34.3%。当MWCNT与E7 LC的指向矢对齐时，MWCNT-LC复合材料的自由能最小化。

离子浓度的降低和外加电压的缺失抑制了图像粘附，从而导致更快的弛豫过程。这增强了混合物的弹性常数、二阶取向序参数和双折射因子，从而降低了旋转粘度，增加了向列相-各向同性转变温度

降低混合物的旋转粘度，确保了电场作用下液晶的自对准反应更快。

(一)旋转粘度和(b)不同MWCNTs浓度下纯E7的动态响应。图片来源：Singh，B.P.，等，电子材料亚博网站下载

向列向同性转变温度是向列液晶失去各向异性特性并表现为普通各向同性液体的最高温度。因此，提高向列向-各向同性转变温度是液晶持久和长工作温度范围所需要的。

未来光电显示技术的研究应集中在更多功能、响应灵敏、耐用和高透射性的液晶上。

参考

辛格，b.p.等。碳纳米管混合向列液晶的显示和光电应用。电子材料。2021，2(4), 466 - 481。https://www.mdpi.com/2673-3978/2/4/32

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