08.12.2021

Flüssigkristalle für schnelle Schaltprozesse

Neu entwickelte cholesterische Verbindung mit sehr kurzer Ganghöhe.

Ein internationales Team hat eine neu synthe­ti­sierte flüssig­kristalline Verbindung unter­sucht, die Anwendungen in der Opto-Elektronik verspricht. Einfache stäbchen­förmige Moleküle mit nur einem einzigen Chiralitäts­zentrum ordnen sich bei Raum­temperatur von selbst zu spiral­förmigen Strukturen. Durch resonante Röntgen­streuung an BESSY II konnten die Forscher nun die Ganghöhe der Helix­struktur bestimmen. Mit nur etwa hundert Nanometern ist diese extrem kurz, was besonders schnelle Schalt­prozesse ermöglichen könnte.

Abb.: Das Bild zeigt den modi­fi­zierten Proben­halter mit Proben in der...
Abb.: Das Bild zeigt den modi­fi­zierten Proben­halter mit Proben in der ALICE-Mess­kammer an BESSY II. (Bild: A. Smekhova, HZB)

Flüssigkristalle sind zwar nicht fest, sondern flüssig, aber einige ihrer physi­ka­lischen Eigen­schaften sind dennoch richtungs­abhängig wie in einem Kristall. Das liegt daran, dass sich ihre Moleküle in bestimmten Mustern anordnen können. Zu den bekanntesten Anwendungen gehören Flach­bild­schirme und digitale Displays. Sie basieren auf Pixeln aus Flüssig­kristallen, deren optische Eigen­schaften durch elektrische Felder geschaltet werden können.

Einige Flüssigkristalle bilden choles­te­rische Phasen: Die Moleküle ordnen sich zu schrauben­förmigen Strukturen an, die durch eine Steigung gekenn­zeichnet sind und sich entweder nach rechts oder nach links drehen. „Die Steigung der choles­te­rischen Spiralen bestimmt, wie schnell sie auf ein angelegtes elektrisches Feld reagieren“, erklärt Alevtina Smekhova vom HZB.

Sie und ihre Kollegen untersuchten eine neu entwickelte flüssig­kristalline choles­te­rische Verbindung namens EZL10/10. „Solche choles­te­rischen Phasen werden normalerweise von Molekülen mit mehreren chiralen Zentren gebildet, aber hier hat das Molekül nur ein chirales Zentrum“, erklärt Smekhova. Es handelt sich um eine einfache Molekül­kette mit einer Laktat­einheit.

An BESSY II hat das Team diese Verbindung mit weichem Röntgen­licht unter­sucht und die Steigung und räumliche Anordnung der Spiralen bestimmt. Aus den Messdaten ermittelten sie eine Ganghöhe von 104 Nanometern. Das ist halb so groß wie bei bisher bekannten choles­te­rischen Phasen in Flüssig­kristallen. Weitere Analysen zeigten, dass die choles­te­rischen Spiralen in diesem Material Domänen mit charak­te­ris­tischen Längen bilden.

„Diese sehr kurze Ganghöhe macht das Material einzig­artig und viel­ver­sprechend für opto­elektro­nische Bauelemente mit sehr kurzen Schalt­zeiten“, betont Smekhova. Darüber hinaus ist die EZ110/10-Verbindung thermisch und chemisch stabil und kann leicht weiter variiert werden, um Strukturen mit maß­ge­schneiderten Ganghöhen zu erhalten.

HZB / RK

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