Interface phenomena in multifunctional liquid-crystal ferroelectric-polymer composites
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden ferroelektrische Polymerfilme mit Flüssigkristalleinschlüssen, sogenannte „polymer-dispersed liquid crystals" (PDLCs), präpariert und untersucht. Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss der remanenten Polarisation des ferroelektrischen Polymers auf die Ausrichtung des Flüssigkristalls und somit auf die optischen Eigenschaften des Films zu ergründen. Die präparierten Filme bestanden aus dem ferroelektrischen Polymer Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen (P(VDF-TrFE)) mit einer molaren Zusammensetzung von 75% VDF und 25% TrFE und dem Flüssigkristall 4-Cyano-4'-n-hexylbiphenyl (6CB). Beide Materialien sind bereits ausgiebig charakterisiert worden, wodurch eine eingehende Untersuchung der Materialeigenschaften entfiel. Somit konnte der Fokus komplett auf das oben genannte Ziel gesetzt werden. Dieser Vorteil wurde allerdings dadurch erkauft, dass die BrechungsIndizes von Polymer und Flüssigkristall nicht aufeinander abgestimmt waren, wodurch nur geringe Transmissionsänderungen erzielt werden konnten. Die Filme wurden aus einer homogenen Lösung hergestellt. Da bisherige Präparationsverfahren hier nicht anwendbar waren, musste zunächst ein neues Verfahren entwickelt werden. In den von uns hergestellten Filmen konnte die Phasentrennung durch Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop sowie durch Messungen im dynamische Differenzialkalorimeter belegt werden. Weiterhin konnte auch im Komposit eine remanente Polarisation sowie ein piezoelektrischer Effekt nachgewiesen werden, so dass auch das PDLC-Material - ebenso wie das reine P(VDF-TrFE) - ferroelektrisch ist. Elektrische Polung der PDLC-Filme fiihrt zu einer Verringerung der Doppelbrechung. Dieser Zustand ist über Monate stabil, lässt sich aber durch Tempern oberhalb der nematisch-isotropen (N-I) Übergangstemperatur wieder löschen. Da auch nach diesem Tempervorgang die remanente Polarisation noch vorhanden ist, kann der beschriebene Effekt hauptsächlich dem hohen Polungsfeld zugeschrieben werden und höchstens teilweise dem internen elektrischen Feld. Die veränderte Doppelbrechung wirkt sich auch auf die optische Transmission bei Temperaturänderungen aus. Während nicht gepolte PDLC-Filme einen Anstieg der Transmission mit steigender Temperatur aufweisen, ist dieser Zusammenhang bei gepolten Filmen entgegengesetzt. Aber auch hier lässt sich das Verhalten durch Erhitzen über die N-I Übergangstemperatur wieder zurücksetzen. Jedoch existiert ein geringer Unterschied der relativen Transmissionsänderung zwischen den ungepolten und den gepolten und getemperten Proben. Dieser Unterschied könnte durch den pyroelektrischen Effekt, eine charakteristische Eigenschaft ferroelektrischer Polymere, hervorgerufen werden. Optische Transmissionsmessungen in Abhängigkeit von einer externen sinusförmigen elektrischen Spannung zeigen für ungepolte Proben ein polaritätsunabhängiges Verhalten. Dagegen zeigen gepolte PDLC-Filme ein Transmissionsverhalten, das von der Polarität des angelegten elektrischen Felds abhängt. Da dieser Effekt bei niedrigen Frequenzen viel stärker ausgeprägt ist, wird eine Beeinflussung durch bewegliche Ladungsträger in den Flüssigkristalltröpfchen vermutet. Diese Ladungsträger an der Grenzfläche zwischen Polymer und Flüssigkri stall scheinen das innere Feld des Polymers nahezu komplett abzuschirmen, so dass wohl nur ein geringer Teil des Effekts dem inneren Feld zugeschrieben werden kann.
Publications
- "Einfache Herstellung eines Dreischicht-Ferroelektrets und Charakterisierung mittels dielektrischer Resonanzspektroskopie", Verhandlungen, DPG Frühjahrstagung 2010, Regensburg, Germany, 21-26 March 2010
L. Holländer, W. Wirges, and R. Gerhard
- "Polarization from dielectric-barrier discharges in ferroelectrets: Mapping of the electric-field profiles by means of thermal-pulse tomography", Appl. Phys. Lett. 97, 072905 (2010)
X. Qiu, L. Holländer, R. F. Suárez, W. Wirges, and R. Gerhard
- "Dielectric relaxation of a nematic liquid crystal dispersed in a polar or non-polar polymer matrix", Verhandlungen, DPG Frühjahrstagung 2011, Dresden, Germany, 13-18 March 2011
M. Ganesan, L. Holländer, P. Frübing, and R. Gerhard
- "Polymer-dispersed liquid crystal - Light valves made of thin polymer films" UNESP - Universidade Estadual Paulista, IGCE, Departamento de Física, Campus de Rio Claro, Brasil, 28 October 2011
Lars Holländer
- "Remnant Alignment of a Nematic Liquid Crystal Dispersed in Electrically Poled Poly(Vinylidenefluoride-Trifluoroethylene)", Proceedings, 14th International Symposium on Electrets, Montpellier, France, 27-31 August 2011 (IEEE, Piscataway, NJ, 2011), pp. 221-222
L. Holländer, W. Wirges, and R. Gerhard
- "Piezoelectric d33 coefficients in foamed and layered polymer piezoelectrets from dynamic mechano-electrical experiments, dielectric resonance spectroscopy, and acoustic-transducer measurements", Meas. Sci. Technol. 23, 035604 (2012)
P. Fang, L. Holländer, W. Wirges, and R. Gerhard
(See online at https://doi.org/10.1088/0957-0233/23/3/035604) - "Polarity-Dependent Electro-Optical Effect in Poled Ferroelectric Polymer-Dispersed Liquid Crystals", Proceedings, 24th International Liquid Crystal Conference, Mainz, Germany, 19-24 August 2012
L. Holländer, W. Wirges and R. Gerhard
- "Quasilinear electro-optic effect in ferroelectric polymer-dispersed nematic liquid crystals due to remnant polarization", Verhandlungen, DPG Frühjahrstagung 2012, Berlin, Germany, 25-30 March 2012
L. Holländer, W. Wirges, and R. Gerhard
