グラフェン金属酸化物複合体による液晶の導電性の向上

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11688 (2023) この記事を引用

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液晶 (LC) の導電率を高めることで、高度な電子部品への応用における課題を回避できます。 これに向けて、機能的な LC を実現できるさまざまなナノ構造で作られた添加剤を使用することが提案されています。 この論文では、さまざまな濃度のグラフェン (Gr)/金属酸化物 (Fe3O4) ナノ複合材料 (GMN) (0.0001 ～ 1 w%) を E7 ネマチック LC に添加しました。 我々は、異方性 Gr フレーク、そのエッジ、および表面修飾された金属酸化物添加剤の役割が E7 の電気的特性に大きな影響を与えることを発見しました。 このようなナノコンポジットの適切な添加剤の範囲により、LC の導電率が向上します。 この効果は、E7 での GMN 凝集体の形成の減少と、Gr シートの端での静電場の増加によって追跡できます。 さらに、酸素欠損や欠陥の存在による金属酸化物ナノクラスターの存在は、電荷移動経路を改善するための導電ネットワークの構築を促進し、Gr 表面と荷電種とのより強力な相互作用に寄与します。 これらの要因により、Gr 層に双極子モーメントが提供され、誘電体媒体内での信号伝播が引き起こされる可能性があります。 私たちの発見は、機能的用途に役立つ可能性のある LC ファミリの電気伝導率の大幅な向上への道筋を伝えています。

液晶 (LC) にナノマテリアルをドーピングすることは、その特性を調整するための重要な戦略に取り組みます1。 ドープされた LC は、ドープされていないものと比較して大幅に改善された特性を示すと同時に、産業用途向けの長期安定性も達成します 2、3、4、5。 LC 媒体中に分散されたゼロ、一次元、および二次元構造を持つさまざまなナノマテリアルの低添加量は、その物理的特性、特に空間電荷分布に大きな影響を与える可能性があることが示されています 6、7、8、9、10、11。 たとえば、電気光学応答や LC の電気的挙動は、このようなドーピングによって影響を受ける可能性があります 12、13。 この点において、ナノ材料の 2 つの主要な要素、つまり表面積と体積の比、および活性剤と LC のイオン間の相互作用により、ナノ材料は要求の厳しい用途の有望な候補となり得る 14。

ドーピングによる LC の導電率の向上は、より機能的なアプリケーションの特性にも影響を与える可能性があります 15。 現在まで、これは、イオン伝導度の増幅11と凝集体形成による電気光学応答の劣化16を引き起こす可能性のある高濃度のナノマテリアルをLCに含めることによって達成されてきました。 さらに、チェーンおよびネットワーク形成の場合、DC 伝導率の向上により LC 特性が乱される可能性があります。 研究では、カーボン ナノチューブ、金属、およびポリマー含有物から作られたナノ粒子によってドープされた LC に対するこの効果が示されています 6、17、18、19。 あるいは、要求の厳しいアプリケーションで液晶の挙動をより適切に活用するには、ナノマテリアルをドープした液晶のイオン現象を理解し 20、21、最適な値のナノマテリアルを使用して液晶を精製するプロセスを特定する必要があります 14、15、22、23。 ナノ粒子の機能化による一部の分野での LC 特性の最適化につながる試み 11、24、25 を考慮すると、導電率の向上とともに精製するには、LC で低濃度のナノ材料を使用する必要があります。 したがって、ナノマテリアルは、LC 内での効果的な役割を調整するために、異なる方法で表面処理する必要があります 26。

グラフェン (Gr) は、LC の電気的特性を操作できるよく知られた 2D ナノ材料の 1 つです 27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37。 液晶のさまざまな相における Gr 層の有効性は、多くの場合 2 つの結果をもたらします: (I) Gr シートが液晶と混合すると、その静電場と遮蔽効果により、イオン密度、拡散率、導電率の低下などのイオン挙動が抑制されます。イオントラップ/電荷消滅プロセスによる緩和周波数22。 (II) Gr のハニカムパターンと LC 分子のベンゼン環の間の相互作用により、LC ディレクタが Gr 層の表面上で平面的に安定し、誘電率異方性が向上します 38。