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Ferroelektrische Eigenschaften und elektrooptisches Schaltverhalten chiraler kolumnarer Flüssigkristalle
Müller, Mario
Anknüpfend an die Arbeiten der Erstentdecker werden weiterführende experimentelle Untersuchungen des ferroelektrischen Schaltens chiraler kolumnarer Flüssigkristalle vorgestellt. Die früheren Beobachtungen des ersten ferroelektrisch schaltbaren Dibenzopyrenderivats von Bock werden im Wesentlichen reproduziert. Darüberhinaus wird eine ungewöhnliche Feldstärkeabhängigkeit des Schaltprozesses beobachtet: Die Schaltzeit ist umgekehrt proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke, bei höheren Feldern wird eine Hochfeldphase beobachtet, in der die Schaltzeit von der fünften Potenz des Feldes abhängt. Die Übergangsfeldstärke ist temperaturabhängig. Die thermodynamische Beschreibung dieses Übergangs ergibt eine Umwandlungsenthalpie in der Größenordnung bekannter thermischer Phasenübergänge zwischen kolumnaren Phasen. Weitere Experimente weisen die Abhängigkeit des Schaltprozesses von der Chiralität der Moleküle sowie dielektrische Relaxationsprozesse in deren kolumnarer Phase nach. Es wird gezeigt, dass einige Homologe ebenfalls ferroelektrisch schaltbar sind. In Mischungen mit diskotischen Triphenylenderivaten wird weitgehend kontinuierliches Schalten mit teilweise großen induzierten Kippwinkeln und optischen Antworten im Mikrosekundenbereich beobachtet. Piezoelektrische Untersuchungen zeigen einen weit kleineren Effekt als bei smektischen Ferroelektrika. Daraus und aus polarisationsmikroskopischen Beobachtungen wird geschlossen, dass das kolumnare Gitter während des Schaltprozesses vorübergehend teilweise zerstört wird. Durch zeitaufgelöste FT-Infrarotspektroskopie wird der Schaltprozess dieser kolumnaren Phase analysiert: Die Molekülteile bewegen sich synchron, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß. Das dichroitische Verhältnis der Absorptionsbanden nähert sich zwischenzeitlich der Gleichverteilung an, was mit den optischen und elektromechanischen Beobachtungen in Einklang steht. Es wird gezeigt, dass der Kippwinkel während des Schaltvorgangs konstant bleibt. Zuletzt werden die mesogenen Eigenschaften einer neuen Gruppe von chiralen diskotischen Triphenylenderivaten mit kolumnaren Phasen vorgestellt, von denen eine ferroelektrisch schaltbar ist. Dessen Schaltverhalten wird mit elektrooptischen und dielektrischen Methoden charakterisiert und mit denen des Dibenzopyrenderivats verglichen: Wie bei smektischen ferroelektrischen Flüssigkristallen ist die optische Schaltzeit der Feldstärke umgekehrt proportional.
In this thesis, experimental investigations on the nature of the ferroelectrical switching of some chiral discotic columnar liquid crystals, namely dibenzopyrene and triphenylene derivatives, are presented: The electric field induced phase transition in a ferrielectric columnar liquid crystal is described by a simple thermodynamic equation. Chirality is essential to the ferroelectrical switching process of the materials investigated, the influence is investigated quantitatively. Small changes of the intercolumnar interactions may result in qualitatively different switching behaviour, e. g. linear switching. During switching, the molecular tilt angle is preserved, the 2D order is temporarily destroyed. This is shown by polarising microscopy, polarised time-resolved infrared spectroscopy and electromechanical investigations. The polymorphism of some new chiral triphenylene derivatives and the ferroelectric properties of one member of this series are discussed.
