太赫茲波段液晶材料光學(xué)特性密度泛函理論研究.pdf

1、近年來，太赫茲(THz)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展迅速。液晶(LC)材料因為能夠用來設(shè)計THz波段的可調(diào)控功能器件而受到廣泛關(guān)注。然而，在THz波段，隨著波長的增加，液晶材料的雙折射率變小，如果基于液晶材料設(shè)計的太赫茲調(diào)制器件要達到與可見光波段同樣的位相調(diào)制量，需要的液晶盒厚度要達到毫米量級，這將會導(dǎo)致液晶配向與控制無法實現(xiàn)，并且增加吸收損耗。因此，設(shè)計和制備在THz頻段具有較小吸收系數(shù)和較高雙折射率的新型液晶材料，是發(fā)展實用LC-THz調(diào)制器件的

2、當(dāng)務(wù)之急。開發(fā)新型液晶材料所需要解決的首要問題是明確分子結(jié)構(gòu)與THz光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。由于實驗方法更側(cè)重于關(guān)注液晶材料在THz波段的宏觀光電特性，對于更深層次的太赫茲波與液晶分子相互作用的物理機制揭示的不夠，因此，為了深入了解液晶材料在太赫茲波段的光學(xué)性質(zhì)，用理論模擬的方法，從分子層面上研究液晶分子結(jié)構(gòu)與THz光電系數(shù)的關(guān)系，對于設(shè)計合成在該波段具有低吸收和較大雙折射率的高性能液晶材料具有指導(dǎo)意義，亦將為性能優(yōu)異的THz調(diào)制器件的制造

3、和實用化提供有用的物理支撐。
　　本論文基于密度泛函理論(DFT)，利用Gaussian09程序包，結(jié)合振動勢能分析(PED)方法、Vuks方程及極化率密度分析(PDA)方法，計算了系列液晶分子在THz波段的吸收光譜、雙折射率和動態(tài)極化率，從電子結(jié)構(gòu)的角度考察了分子不同基團對太赫茲光學(xué)系數(shù)的影響規(guī)律。
　　論文的主要內(nèi)容包括以下三個部分:
　　(1)液晶分子的太赫茲吸收光譜及振動分析。用DFT方法計算了文獻中已有實驗數(shù)

4、據(jù)的液晶分子5CB、5OCB和PCH5在0-3THz的吸收光譜，并用PED方法對其振動模式分別做出精確的指認。結(jié)果表明:DFT計算給出的液晶分子的THz吸收光譜，在出峰的位置和振動強度上均與實驗觀測符合的很好;不同的液晶材料對太赫茲波的吸收性能不同，與5CB相比，由于5OCB增加了一個氧原子，導(dǎo)致其吸收峰的位置發(fā)生了藍移，并且振動強度也有略微的增加;PCH5分子中的環(huán)己烷導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)柔性較大，因此降低了分子的振動強度，并且在1 THz以

5、下具有一個其它分子所沒有的較強吸收峰。總體來說，分子結(jié)構(gòu)對液晶材料在太赫茲波段的吸收影響較大，因此在選用或者設(shè)計合成新型液晶材料時，應(yīng)根據(jù)不同波段的需要，選擇合適的分子結(jié)構(gòu)。
　　(2)液晶材料在太赫茲波段的雙折射率計算。以5CB液晶為例，利用DFT及Vuks方程計算其在THz波段的折射率及各向異性。通過和實驗數(shù)據(jù)的對比，結(jié)果符合得較好。研究了泛函和基組對計算結(jié)果的影響，討論了頻率與雙折射率之間的關(guān)系，以及雙折射率隨溫度的變化規(guī)律

6、。結(jié)果表明:在計算含頻電子極化率時，M06-2x/6-311+G(d,p)方法的效率較高;在低頻太赫茲范圍內(nèi)，液晶分子的光學(xué)參數(shù)幾乎不隨頻率變化;液晶材料的宏觀折射率呈現(xiàn)出和微觀極化率一樣的溫度相關(guān)性。
　　(3)液晶材料在太赫茲波段的分子極化率研究。通過極化率密度分析，揭示了液晶分子尾鏈、骨架結(jié)構(gòu)和極性取代基等不同基團對極化率的貢獻，探討了影響液晶分子極化率的主要因素。結(jié)果表明:對液晶極化率貢獻較大的是苯環(huán)和氰基等不飽和基團;在