Kathrin Sentker (5/2020) (pdf-file)
Abstract
Liquid crystals in combination with nanoporous media, exhibiting structures significantly smaller than the wavelengths of visible light, are promising candidates to design new soft-hard photonic metamaterials. The liquid crystal provides functionality, resulting from temperature tunable anisotropic properties, i.\,e. optical birefringence, while the nanoporous solid provides a mechanical robust scaffold structure. Then the optical functionality of prospective metamaterials is not determined by the properties of base materials, but from newly designed multiscale structures often absent in the base materials. However, the extreme spatial and topological constraints can result in inhomogeneous molecular arrangements or even the complete suppression of liquid crystallinity in nanoconfinement hampering the optical functionality. Depending on the type of confining space (meso- and macroporous silica and anodized aluminium oxide) and as a function of temperature, pore size and pore surface chemistry, the molecular self-assembling process and the resulting metamaterial potential of a discotic liquid crystal (HAT6) in nanoconfinement is analyzed. In order to correlate orientational and translational ordering, synchrotron-based 2D X-ray diffraction in combination with high-resolution optical polarimetry measurements are performed. Resulting from a quantized phase transition a rarely measured material specific parameter giving a measure of the tendency of the liquid crystal to bend along the preferred alignment direction is found. Additionally, the experiments and complementary Monte Carlo simulations show a remarkably rich self-assembly behavior resulting in structures absent in the bulk state. These diverse configurations on the nanoscale result in integrated material systems exhibiting a temperature- and liquid-solid interaction-dependent positive and negative optical birefringence. Hence, the self-organized nanoporous solids in combination with liquid-crystalline self-assembly allow the fabrication of newly designed photonic metamaterials with tailorable optical anisotropy.
Kurzzusammenfassung
Flüssigkristalle in Kombination mit nanoporösen Festkörpern, deren Strukturen deutlich kleiner sind als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, sind vielversprechende Kandidaten für das Design neuer photonischer Metamaterialien. Die temperaturabhängigen anisotropen Eigenschaften, insbesondere die Doppelbrechung des Flüssigkristalls liefert die Funktionalität, während der nanoporöse Festkörper eine mechanisch robuste Gerüststruktur gewährleistet. Dann wird die optische Funktionalität dieser Metamaterialien nicht durch die Eigenschaften der Basismaterialien bestimmt, sondern mittels der neu gestalteten Multiskalenstrukturen. Die extremen räumlichen und topologischen Einschränkungen führen jedoch oft zu inhomogenen molekularen Anordnungen oder sogar zur vollständigen Unterdrückung der flüssigkristallinen Eigenschaften, was die optische Funktionalität stark beeinträchtigt. Abhängig von der Art des porösen Festkörpers (meso- und makroporöses Siliziumdioxid und anodisiertes Aluminiumoxid) und in Abhängigkeit von Temperatur, Porengröße und Porenoberflächenchemie wird die molekulare Selbstorganisation eines diskotischen Flüssigkristalls (HAT6) und das daraus resultierende Potential als Metamaterial analysiert. Zur Korrelation von Orientierungs- und Translationsordnung wird synchrotronbasierte 2D-Röntgendiffraktometrie in Kombination mit hochauflösenden optischen Polarimetriemessungen durchgeführt. Ausgehend von einem quantisierten Phasenübergang kann ein selten gemessener materialspezifischer Parameter bestimmt werden, der ein Maß für die Tendenz des Flüssigkristalls zur Verbiegung entlang der bevorzugten Ausrichtungsrichtung liefert. Zusätzlich zeigen die Experimente und ergänzenden Monte-Carlo-Simulationen eine vielfältige Selbstorganisation, die zu Strukturen führt, die in den Basismaterialien nicht zu finden sind. Diese unterschiedlichen Konfigurationen auf der Nanoskala führen zu integrierten Materialsystemen, die eine temperaturabhängige positive und negative optische Doppelbrechung aufweisen, welche stark von der Wechselwirkung zwischen Flüssigkristall und Festkörper abhängt. Die nanoporösen Festkörper in Kombination mit der flüssigkristallinen Selbstorganisation ermöglichen somit die Herstellung neu entwickelter photonischer Metamaterialien mit anpassbarer optischer Anisotropie.
