Dielectric and electrical properties of nematic liquid crystals 6CB doped with iron oxide nanoparticles. The combined effect of nanodopant concentration and cell thickness

Abstract

Диспергування наноматеріалів у рідких кристалах постало як дуже перспективний несинтетичний спосіб отримання передових багатофункціональних і настроюваних матеріалів. Як правило, діелектричну та електричну характеризацію таких матеріалів виконують із використанням комірок однієї товщини. Унаслідок цього опубліковані дані відрізняються навіть для подібних систем. Досі існує плутанина щодо впливу нанодопантів і товщини комірки на діелектричні та електричні властивості рідких кристалів. Цей чинник перешкоджає широкому використанню систем «рідкі кристали — наночастинки» в сучасних технічних продуктах. У цій статті ми повідомляємо про систематичні експериментальні дослідження сукупного впливу товщини комірки та концентрації наночастинок оксиду заліза на електричні та діелектричні властивості нематичних рідких кристалів 6CB. Виміряні діелектричні спектри можна розділити на три виразні області, що відповідають низькочастотній дисперсії (<10 Гц), діапазону без дисперсії (102 – 104 Гц (електропровідність) і 102 – 105 (діелектрична проникність)) та високочастотній дисперсії (104 – 106 Гц (електропровідність) і 105 – 106 Гц (діелектрична проникність)). Товщина комірки не впливає на дійсну частину діелектричної проникності, а її значення можна настроювати зміною концентрації наночастинок. Водночас електропровідність залежить і від товщини комірки, і від концентрації наночастинок. На проміжних частотах (102 – 104 Гц) електропровідність підпорядковується степеневому закону Джоншера та залежить від товщини комірки через ефекти вивільнення й захоплення іонів, спричинені наночастинками та підкладками комірки. Крім того, на її значення впливає електронна провідність, зумовлена наночастинками оксиду заліза та їхніми нанокластерами. На вищих частотах (104 – 106 Гц) електропровідність підпорядковується надлінійному степеневому закону й майже не залежить від товщини комірки та концентрації наночастинок.Dispersing nanomaterials in liquid crystals has emerged as a very promising non-synthetic way to produce advanced multifunctional and tunable materials. As a rule, dielectric and electrical characterization of such materials is performed using cells of single thickness. As a result, the published reports vary even for similar systems. Confusion still exists as to the effects of nanodopants and cell thickness on the dielectric and electrical properties of liquid crystals. This factor hinders a widespread use of liquid crystals - nanoparticles systems in modern tech products. In this paper, we report systematic experimental studies of the combined effect of the cell thickness and iron oxide nanoparticle concentration on the electrical and dielectric properties of nematic liquid crystals 6CB. The measured dielectric spectra can be divided into three distinct regions corresponding to a low frequency (<10 Hz) dispersion, dispersion free range (102 – 104 Hz (electrical conductivity) and 102 – 105 (dielectric permittivity)), and high frequency dispersion (104 – 106 Hz (electrical conductivity) and 105 -106 Hz (dielectric permittivity)). The real part of the dielectric permittivity is not affected by the cell thickness and its value can be tuned by changing the concentration of nanoparticles. At the same time, the electrical conductivity depends on both cell thickness and nanoparticle concentration. At intermediate frequencies (102 – 104 Hz) the electrical conductivity obeys the Jonscher power law and is dependent on the cell thickness because of ion-releasing and ioncapturing effects caused by nanoparticles and substrates of the cell. In addition, its value is affected by the electronic conductivity due to iron oxide nanoparticles and their nanoclusters. At higher frequencies (104 – 106 Hz) the electrical conductivity follows a super linear power law and is nearly independent of the cell thickness and nanoparticle concentration.