《Journal of Molecular Liquids》：Field induced nonlinear and anisotropic properties of a nematic liquid crystal doped with graphene quantum dots
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石墨烯量子点掺杂5CB液晶在电场作用下的相变及电光性能研究。基于扩展兰道理论，系统分析0.25wt%和1.0wt%两种浓度GQDs对液晶介电各向异性、极化强度、损耗因子及科氏常数的影响规律，揭示低浓度促进分子取向有序化而高浓度因团聚导致性能下降的机理。
Sepideh Ordibehesht | Saeedeh Shoarinejad
伊朗德黑兰Alzahra大学物理学院理论物理与纳米物理系
摘要
本研究探讨了不同浓度的石墨烯量子点（GQDs）对5CB液晶（LC）在向列-各向同性相变过程中电光性质的影响。在外加电场的作用下，分析了GQD纳米颗粒的影响。我们采用了理论上的Landau模型，并引入了一种统计方法，以更可靠地量化分子有序性和介电响应的波动。这种方法不仅补充了理论预测，还支持了实验结果。研究的关键参数包括有序参数、介电常数、极化强度、介电损耗和Kerr效应。我们的发现表明，在0.25 wt%的GQD浓度下，有序参数增加；而在1.0 wt%的GQD浓度下，有序参数有所下降（与纯向列LC相比）。在这两种情况下，垂直介电常数和极化强度相对于纯LC系统都有所增强。然而，在0.25%的浓度下，平行介电常数、极化强度、介电损耗和Kerr常数增加；而在1.0%的浓度下，这些参数则减少。此外，两种浓度下的介电各向异性都减小，其中1.0 wt%时的减小更为显著。这些结果可以归因于GQDs表面极性基团与LC分子之间的相互作用。在较低浓度下，这些相互作用有助于偶极子在电场中的排列；而在较高浓度下，聚集会破坏LC分子的取向。总体而言，这些发现强调了分析系统的各向异性性质对于优化掺杂纳米颗粒的液晶的电光性能的重要性。
引言
液晶是一种独特的物质状态，它结合了液体的流动性和晶体固体的长程取向有序性。这种双重性导致了多种物理现象的产生，使液晶能够有效响应外部影响，如电场、温度变化和压力变化[1]、[2]、[3]。这些显著的特性使得液晶在各种技术中得到广泛应用。在不同的介观相中，向列相特别重要，因为它具有相对简单的分子排列方式，并且在基于液晶的电光设备中具有广泛的应用前景[4]、[5]、[6]。
近年来，将纳米材料掺入液晶已成为改性和改善其物理性质的有效方法。这些液晶纳米复合材料因其卓越的电学、光学和电光性能而受到研究人员的广泛关注[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。此外，量子点（QDs）作为掺杂剂在液晶中的使用比其他纳米颗粒（NPs）更为有效，这主要归因于它们的独特性质[13]、[14]。作为一类新的零维碳基纳米结构，GQDs本质上是无毒且环保的[14]。GQDs的量子限制和边缘效应使其具有可调的光致发光、表面功能化和优异的生物相容性。这些特性使GQDs成为用于液晶掺杂的理想候选材料，并为环境传感和智能光电器件等先进应用打开了大门[15]。此外，用GQDs掺杂液晶为控制相行为、介电响应和光学各向异性开辟了新的途径。GQDs的引入可以影响系统的取向有序性，改变向列-各向同性（N-I）相变温度，并改变介电和电光性质。这通过偶极子相互作用、锚定效应和局部电场的调制等机制实现。这些现象不仅在理论上具有重要意义，还为具有更高灵敏度、多功能性和多功能性的先进液晶器件提供了机会[14]、[16]、[17]。
最近，研究人员重点关注了QDs对液晶性质的影响[18]、[19]、[20]。近年来，纳米颗粒-液晶纳米复合材料领域发展迅速。该领域的最新报告和综述文章强调了纳米颗粒掺杂在先进光子学和软物质技术中的重要性。主要的研究方向包括介电可调性和电光性能的提升。特别是，关于QD和纳米颗粒掺杂的向列液晶的综述总结了介电光谱学和电光调制的实验进展。
这些综述还讨论了非线性和场依赖性响应作为影响其电光和介电行为的重要因素[20]。Mukherjee使用Landau和Flory-Huggins理论框架研究了LC-QD复合材料中的向列-各向同性相变[18]。他的发现表明，增加QD浓度会导致向列有序参数、相变温度和弹性常数的降低。在另一项研究中，Mukherjee研究了掺杂QDs的铁电液晶，并报告了随着QD浓度的增加，晶胞间距、自发极化和倾斜角度的增加[19]。还发现，当GQDs添加到液晶中时，它们可以通过降低阈值电压和减少响应时间来改善电光特性[21]。此外，还发现GQDs在铁电液晶中不仅可以增加光致发光强度，还可以通过降低旋转粘度来加速电光响应[21]。对于5CB向列液晶，低浓度的GQDs（例如0.25 wt%）可以增强取向有序性、双折射率和介电松弛的激活能[14]。然而，在较高浓度（如1.0 wt%）下，GQDs的聚集可能导致这些性质的下降[14]。
这些研究表明，特别是在优化后的低浓度下，GQDs具有显著提升基于液晶的光子学和显示技术性能的潜力，同时也支持了环保技术和可持续材料的发展。然而，尽管有大量关于GQD-LC纳米材料的研究，但仍有许多未知方面尚未探索。值得注意的是，据我们所知，尽管有大量关于这些系统电学行为的理论研究，但电场对GQD液晶的影响尚未从理论上进行过研究。
因此，本文的主要目的是在外加电场下研究掺杂GQDs的NLC的非线性、各向异性以及频率依赖的介电和电光性质。我们通过开发一个扩展的基于Landau的理论模型并通过实验观察来验证这一模型。在这项工作中，我们理论上研究了外加电场存在下GQD浓度对向列-各向同性相变的影响。为此，我们使用了5CB液晶的参数。分析重点关注关键物理参数，包括取向有序参数、介电常数和各向异性、极化强度、介电损耗和Kerr效应。除了为先进液晶纳米复合材料的设计提供新的见解外，这项理论研究还有助于更深入地理解软物质系统中的纳米尺度相互作用。
本文的结构如下：第2.1节概述了接近向列-各向同性相变时掺杂纳米系统的取向有序参数的计算方法。第2.2节涵盖了在外加电场作用下，纳米复合材料中平行和垂直分量的介电常数计算。该节还包括介电各向异性和介电损耗的分析。第2.3节研究了不同浓度的石墨烯量子点和外加电场如何影响向列-各向同性转变附近的平行和垂直极化。第2.4节在外加电场下研究了Kerr效应，并比较了纯系统和含有不同浓度纳米颗粒的复合材料。最后，第3节总结了研究的主要发现和结论。
部分摘录
理论模型与分析
在掺杂纳米颗粒的液晶系统中，由于纳米颗粒的影响，使用修改版的Landau自由能模型是合适的。该模型被认为是理解纳米颗粒与液晶分子之间相互作用的合适理论框架[7]、[22]、[23]、[24]。我们考虑了一个掺杂了GQD纳米颗粒的均匀平面向列液晶单元，并利用了5CB液晶的特性。
一些评论和结论
在这项研究中，我们探讨了石墨烯量子点在外加电场下对向列液晶的向列-各向同性相变的影响。我们提出了一个统一的扩展Landau框架，并在该框架内找到了所有关键电光量的解析表达式，如有序参数、介电常数、介电各向异性、极化强度、介电损耗和Kerr常数。我们采用了Boltzmann加权统计处理方法。
资金来源声明
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
Sepideh Ordibehesht：研究、数据管理。Saeedeh Shoarinejad：监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。
