利用磷烯量子点调控向列液晶的电光开关特性、介电各向异性以及三阶非线性光学性质，以实现可调光电器件

《Journal of Molecular Liquids》：Phosphorene quantum dot–enabled modulation of electro-optic switching, dielectric anisotropy, and third-order nonlinear optical properties in nematic liquid crystals for tunable optoelectronic devices

黑磷量子点（BPQDs）掺杂液晶E7显著提升介电各向异性和向列-各向同性转变温度，阈值电压及弹性常数随浓度增加而增大，关断时间呈浓度依赖性。Z-scan测试显示非线性光学响应随BPQD浓度升高增强至1%饱和。

　　

M. Raiszadeh Jahromi | F. Ostovari | Z. Dehghani

物理系，亚兹德大学，亚兹德，邮政信箱8915818411，伊朗

摘要

系统研究了掺杂在向列液晶（NLC）E7中的黑磷烯量子点（BPQDs）的浓度依赖性效应。结果表明，与原始E7相比，纳米复合材料的向列-各向同性转变温度（$T_{N?I}$）显著提高，同时介电各向异性（$?\epsilon$）也明显增强。此外，阈值电压和展曲弹性常数随着BPQD浓度的增加而显著上升。虽然开启时间基本不受BPQD掺杂的影响，但关闭时间则强烈依赖于浓度。

使用Z扫描技术，在室温下评估了NLC的非线性光学（NLO）特性，其中BPQD浓度被视为控制参数。测量结果显示NLO响应具有强烈的浓度依赖性，随着BPQD含量的增加而逐渐增强，并在约1 wt%时趋于饱和。因此，BPQD在NLC E7中的非线性特性有利于开发各种光学应用。

引言

在过去的半个世纪中，人们最近对各种领域的液晶（LC）显示技术给予了大量关注，例如LC显示（LCD）设备[1]。

当LC形成有序相（如向列态）时，会表现出明显的双折射现象。在向列LC（NLC）中，介电性质对外部电场和光刺激具有强烈的非线性响应，这主要由热光效应和分子重定向效应控制[2]。研究NLC的电光行为旨在了解如何重新定向NLC的取向以及这种重定向如何影响其光学性质[3]。

液晶化合物的介电各向异性是开发用于移动设备和PC显示器的LCD的关键物理性质。它决定了材料从一种状态转变为另一种状态所需的最小电压[4]。此外，精确评估载流子密度分布、准确估计能耗、可靠地对超薄和二维材料进行建模以及适当考虑电极接触效应都是需要仔细研究的关键问题[5]、[3]、[6]。介电各向异性可以取正值或负值，每种情况在基于液晶的显示技术中都会导致不同的功能结果[7]、[8]。正的介电各向异性通常与某些优势相关，而负的介电各向异性可以在显示应用中提供诸如改善稳定性和减少闪烁等优点[7]、[8]。因此，理解和控制LC化合物的介电各向异性对于推进显示技术的发展至关重要。

NLC的响应时间是指分子取向在外加电场作用下从初始配置重新定向到最终状态所需的时间间隔。这是一个关键的性能参数，受多种因素的影响，包括温度、粘度、表面排列条件、介电各向异性、驱动电压的幅度和频率、LC层的厚度以及所使用的LC材料的特定类型和相[9]。理解这些量对于优化LCD的性能（包括响应时间、阈值电压和效率）至关重要[10]、[11]。

此外，材料的非线性光学（NLO）特性在光子学应用中具有广泛的应用[12]。LC表现出较大的光诱导非线性。因此，NLC在NLO通信中特别感兴趣，尤其是在光开关和光电路中[2]。

将纳米材料掺入LC基质中以增强其性能的做法正在向更经济和环境可持续的策略转变，以开发先进的电光设备[13]、[14]、[15]。具有纳米结构的NLC混合物应具备以下特性，以确保最佳性能：低阈值电压（$V_{}$）、高介电各向异性（$?\epsilon$）以及快速的开关时间（${\tau }_{\mathrm{on}}$和${\tau }_{\mathrm{off}}$）[16]。低V_th很重要，因为它允许施加较低的电压到单元上，从而降低功耗并延长设备寿命。材料中电场诱导的折射率调制程度受其介电各向异性的强度强烈控制，这直接决定了电光响应的大小。快速的开关时间很重要，因为它可以加快响应时间并减少设备在状态之间切换所需的时间[17]、[18]。Lee等人最近证明，将碳纳米管和C₆₀掺入基于5CB或E7的NLC设备中，可以降低阈值电压并提高开关性能[19]。此外，低浓度下引入六方氮化硼（h-BN）片材已被证明可以增加NLC的弹性常数，使其能够应用于一系列先进的应用中[6]。

材料科学的最新进展显著扩展了具有定制和非传统功能的系统工程范围。在这些发展中，人们对二维层状材料给予了相当多的关注，这些材料因其明显的量子限制效应和与维度减少相关的独特物理行为而受到关注[20]、[21]。磷烯是相对较新的二维材料之一，其具有起伏的晶格结构，导致强烈的面内各向异性[22]。这种内在的各向异性是其卓越的光学和光电特性的基础。值得注意的是，磷烯具有层依赖的直接带隙，可以通过厚度控制进行调节，其载流子可以有效地描述为各向异性的质量狄拉克费米子[22]、[23]。由于其高的载流子迁移率，磷烯被认为是先进电子和光电技术的有希望的平台[24]。此外，其在可见光谱范围内的直接带隙半导体行为突显了其在下一代电子设备应用中的潜力[25]。

本研究系统研究了不同浓度的BPQD如何影响NLC E7系统的各种物理和电光特性。具体来说，分析了温度依赖的介电各向异性（$?\epsilon$）、展曲弹性常数（$V_{}$）、开启（${\tau }_{}$）和关闭（${\tau }_{}$）动态，以及三阶磁化率（${\chi }^{}$）。主要目的是阐明这些性质如何随着NLC基质中BPQD含量的变化而演变。据作者所知，尚未有报道将BPQDs作为功能性掺杂剂来增强基于NLC的系统的电化学和电光性能。尽管如此，先前的研究已经探索了使用替代掺杂剂（包括纳米粒子和有机添加剂）来改善NLC的电光行为。此外，现有文献还讨论了BPQDs的固有物理和光学特性，如它们的极化率和光致发光特性[26]、[27]。

材料与细胞制备

材料与细胞制备

BPQDs是使用原位水热法在水介质中合成的，以红磷作为前体材料，遵循参考文献[28]中报告的程序。实验中使用的宿主LC介质是Merck公司提供的商用E7混合物。E7是一种共晶混合物，由氰联苯（CB）、氧联苯（OCB）和氰基联苯（CT）衍生物组成，其重量分数分别为5CB（51%）、7CB（21%）、8OCB（16%）和5CT（12%）[27]。E7通常

磷烯的表征

图2(a)和2(b)显示了制备好的BPQDs的球形形态和平均横向尺寸约为4-5纳米。此外，还使用AFM提取了BPQDs的高度剖面。AFM数据的统计评估显示平均高度为2.1 ± 1.1纳米（图2c–e），表明BPQDs由几层堆叠而成，沿c轴大约有1-7层，基于单个层的厚度约为0.53埃[5]。

紫外-可见光

结论

BPQDs是通过水热路线合成的，其结构和光学质量通过TEM、FTIR、UV-Vis光谱、拉曼散射和光致发光分析进行了系统表征。介电研究显示，随着BPQD含量的增加，介电各向异性（Δε）增加，在1 wt%的浓度时达到最大值。此外，BPQD/NLC复合材料的电光性能（包括阈值电压、响应时间和弹性

CRediT作者贡献声明

M. Raiszadeh Jahromi：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原始草稿，资源，方法论，研究，数据分析，概念化。F. Ostovari：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原始草稿，可视化，验证，监督，方法论，概念化。Z. Dehghani：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原始草稿，可视化，验证，监督，方法论，概念化。

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通讯作者：Fatemeh Ostovari

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