Organische Ferroelektrika auf der Basis kristalliner Phasen bzw. kristalliner Mesophasen von bent-core Mesogenen

• Applicant: Professor Dr. Wolfgang Weißflog
• Subject Area: Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 20641116

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Ferroelektrika besitzen eine spontane elektrische Polarisation, welche durch ein externes Feld geschaltet werden kann. Die meisten Ferroelektrika sind anorganische Materialien, am bekanntesten ist Bariumtitanat. Fluorhaltige kristalline Polymere gehören zu den organischen Ferroelektrika, die auch praktische Verwendung finden. Die Zahl niedermolekularer organischer Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften ist verschwindend klein. Entsprechend dem Wirkmechanismus lassen sie sich unterteilen in Ein- und Mehrkomponentensysteme. Letztere basieren auf speziellen Wechselwirkungen zwischen den Komponenlen, wie CT- Komplexen, Wasserstoffbrücken oder Ladungseffekten. Die Kristalle reiner organischer Verbindungen zeigen sehr selten ferroelektrisches Verhalten, bisher gab es nur ca. ein Dutzend solcher Verbindungen. Ein Zusammenhang zwischen chemischer Struktur und ferroelektrischen Eigenschaften war nichl zu erkennen. Seit 1996 werden bananenförmige Flüssigkrislalle intensiv bearbeitet. Die gebogenen Moleküle können in den smektischen Schichten eine polare Ordnung aufbauen, ohne dass die Verbindungen optisch aktiv sind. Aus dieser Anordnung resultieren ferro- bzw. anfiferroelektrische Eigenschaften. Die Grundidee des Projektes bestand darin, gebogene (bent-core) Moleküle zu synthetisieren, deren Design zwar dem der bananenförmigen Mesogene entspricht, die aber keine flüssigkristallinen Phasen ausbilden. Die gebogene Molekülgestalt sollte jedoch die Bildung polarer Domänen in den Kristallen induzieren können. Die chemische Struktur einer geeigneten Substanzklasse wurde mit dem Ziel variiert, möglichst viele Vertreter zu finden, an denen keine Mesophasen auftreten. Es wurden 34 Verbindungen untersucht, davon besitzen 10 Verbindungen kristallin-flüssige Eigenschaften. Von den verbleibenden 24 Verbindungen zeigen 10 Substanzen ferroelektrisches und zwei Verbindungen nur pyroelektrisches Verhalten in verschiedenen kristallinen Modifikationen. Diese hohe Erfolgsrate beweist, dass erstmals ein Strukturdesign für feste organische Einzelkomponenten-Ferroelektrika aufder Grundlage gebogener Moleküle gefunden wurde. Im Rahmen des Projektes wurden auch zahlreiche Zwillingsmoleküle synthetisiert, in denen ein bent-core Mesogen und ein stäbchenförmiges Mesogen durch einen flexiblen Spacer miteinander verbunden sind. Auch hier wurde an drei Verbindungen ferro- bzw. antiferroelektrisches Verhalten in den kristallinen Phasen nachgewiesen. Bemerkenswert sind außerdem die kristallin-flüssigen Eigenschaften und ungewöhnlichen Phasensequenzen an einigen dimeren Verbindungen. In den Texturen nematischer Phasen können chirale Domänen beobachtet werden, obwohl die Moleküle nicht optisch aktiv sind. Das ungewöhnliche Verhalten in elektrischen Feldern wurde durch weiterführende physikalische Untersuchungen bewiesen. Hervorgehoben werden soll die Bildung metastabiler biaxial nematischer Phasen. Es sei auch erwähnt, dass bei der Bearbeitung anderer Substanzklassen interessante Ergebnisse erhalten wurden. Dazu gehören das Auffinden eines neuen Schaltprozesses (multiState switching) in einer SmCP-Phase, die Induktion polarer Phasen aus einer unpolaren SmA- und SmC-Phase mittels elektrischer Felder und der erstmalige Nachweis einer höher geordneten polaren Phase, der SmlPp-Phase. Nach der Synthese der Verbindungen war deren physikalische Charakterisierung eine wesentliche Aufgabe. Neben den üblichen Untersuchungen mittels Kalorimetrie und Polarisalionsmikroskopie wurden ausführliche Röntgenstruktur-Untersuchungen durchgeführt, um die kristallinen und kristallin-flüssigen Phasen eindeutig zuordnen zu können. Erst eine Kombination von elektro-optischen und SHG-Messungen erbrachte den endgültigen Beweis, welche kristallinen Phasen als organische ferroelektrische bzw. pyroelektrische Materialien bezeichnet werden dürfen.

Publications

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