Molecular dynamic studies of ferroelectric and antiferroelectric liquid crystals

W ramach niniejszej pracy zbadano dynamikę molekularną dwóch homologicznych termotropowych związków ciekłokrystalicznych o skróconych nazwach: 6F4BBiOC8 i 8F2BBiOC8. Dla obu tych substancji stwierdzono występowanie dwóch faz ciekłokrystalicznych: fazy ferroelektrycznej SmC* i antyferroelektrycznej SmC*A, zarówno w procesie ochładzania jak i ogrzewania. W oparciu o metodę Teorii Funkcjonału Gęstości (DFT) zoptymalizowano geometrie molekuł, a następnie na ich podstawie określono wypadkowy moment dipolowy. Przy użyciu metody prądów depolaryzacji zmierzono wartość spontanicznej polaryzacji obu związków, która wynosi 84 i 97 nC/cm2, odpowiednio dla 6F4BBiOC8 i 8F2BBiOC8. Metodą spektroskopii dielektrycznej w domenie częstości (1Hz - 10 MHz) zarejestrowano jeden proces relaksacyjny w fazie ferroelektrycznej dla obu związków, który zidentyfikowano jako kolektywny proces Goldstone'a. Podobnie w fazie antyferroelektrycznej dla związku 6F4BBiOC8 i 8F2BBiOC8 zaobserwowano jeden proces relaksacyjny, zinterpretowany jako kolektywny NCM (antyferroelektryczny Goldstone). Dodatkowo, dla związku 8F2BBiOC8 w fazie antyferroelektrycznej zaobserwowano drugi proces relaksacyjny, który zinterpretowano jako proces S (reorientacja molekuł wokół osi krótkich). Zarówno w pomiarach elektrooptycznych jak i metodą spektroskopii dielektrycznej odnotowano znaczący wpływ przewodnictwa jonowego próbek na charakter rejestrowanych sygnałów i widm. Uzyskane wyniki doświadczalne potwierdzają przewidywania teoretyczne oraz są w pełni zgodne z modelem uzyskanym w oparciu o modelowanie molekularne metodami mechaniki kwantowej.The aim of this thesis was to study the molecular dynamics of two homologous thermotropic liquid crystal compounds, in short 6F4BBiOC8 and 8F2BBiOC8. Both of the compounds studied exhibit two liquid crystal phases: ferroelectric SmC* and antiferroelectric SmC*A at heating and cooling as well. Based on the Density Functional Theory method, the optimized geometries of 6F4BBiOC8 and 8F2BBiOC8 molecules were acquired, which onward led to calculate the resultant dipole moment. By means of the reversal current method the spontaneous polarization for both compounds was measured and calculated to be 84 nC/cm2 and 97 nC/cm2 for 6F4BBiOC8 and 8F2BBiOC8, respectively. Using frequency domain dielectric spectroscopy (1Hz - 10MHz) one relaxation process was registered in the ferroelectric phase for both compounds. It was identified as collective Goldstone mode. Similarly, in the antiferroelectric phase for both compounds one relaxation mode was detected and identified as collective Non-Cancellation Mode (NCM, antiferroelectric Goldstone). Additionally, for 8F2BBiOC8 compound in the antiferroelectric phase, the second relaxation process was revealed. It was identified as a molecular S-mode. Significant influence of ionic conductivity was observed in the electrooptic and dielectric spectroscopy measurements. Experimental results obtained confirm the theoretical predictions and are consistent with the model based on the molecular dynamics simulation