Eigenschaften und Anwendungen von Flüssigkristallen im Terahertz-Frequenzbereich

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Für THz-Wellen werden heute zahlreiche Anwendungen diskutiert wie z.B. im Bereich
der zerstörungsfreien Materialprüfung oder der drahtlosen Kommunikation. In den
letzten Jahren wurde deshalb die Entwicklung von THz-Systemen stetig vorangetrieben.
Heute steht die THz-Technik an der Schwelle zur Markteinführung, wobei nach wie vor
ein hoher Bedarf an kosteneffizienter und zuverlässiger Technologie existiert.
Insbesondere im Bereich schaltbarer Bauteile gibt es bisher nur wenige befriedigende
Lösungen.
Eine Alternative zu den bisher existierenden THz-Bauteilen könnten schaltbare Filter,
Modulatoren oder Phasenschieber auf Flüssigkristallbasis sein. Ein großer Vorteil der
flüssigkristallinen Materialien ist, dass sie sehr sensitiv auf elektrische und magnetische
Felder reagieren und sich Eigenschaften des Flüssigkristalls elektronisch kontrollieren
lassen.
Im Fokus dieser Arbeit stand deshalb die Untersuchung der Eigenschaften von
Flüssigkristallen im THz-Frequenzbereich. Dazu wurden makroskopische Größen in
Form des Brechungsindexes und des Absorptionskoeffizienten verschiedener
Flüssigkristalle bestimmt. Dabei zeigte sich, dass alle untersuchten Flüssigkristalle im
THz-Frequenzbereich doppelbrechend sind und sich dadurch grundsätzlich in
schaltbaren Bauteilen verwenden lassen. Im Vergleich zum optischen Frequenzbereich
weisen die Flüssigkristalle im THz-Frequenzbereich jedoch eine höhere Absorption auf,
die sich nachteilig auf die Gesamtabsorption eines THz-Bauteils auswirken kann. Mit
Hilfe der Dichtefunktionaltheorie konnte gezeigt werden, dass die hohe Absorption im
THz-Frequenzbereich durch Eigenschwingungen der Moleküle verursacht werden.
Um die Struktur/ THz-Eigenschaftsbeziehungen zu untersuchen wurde anhand der
Cyanobiphenylfamilie der Einfluss der Länge der Alkylkette auf die THz-Eigenschaften
untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich z.B. die THz-Doppelbrechung zwar wenig mit
der Kettenlänge ändert, jedoch ähnlich wie im optischen Frequenzbereich einer
Gerade/Ungerade-Verteilung folgt. Mit Hilfe der Berechnung der molekularen THz-
Polarisierbarkeiten, konnte demonstriert werden, dass die Abhängigkeit der THz-
Doppelbrechung von der Länge der Alkylkette durch die unterschiedlichen
Polarisierbarkeiten der Quer- und Längsachse der Moleküle mit einer geraden bzw.
ungeraden Anzahlen an Kohlenstoffatomen in der Alkylkette verursacht wurde.
Damit Flüssigkristalle anwendungsspezifische Anforderungen erfüllen, werden ver-
schiedene Substanzen vermischt. Dadurch lassen sich z.B. nematische Mischungen mit
geringer Viskosität oder spezifischen Werten für die dielektrische bzw. optische
Anisotropie herstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene kommerziell
erhältliche Mischungen auf ihre THz-Eigenschaften untersucht. Anhand der Ergebnisse
zu den Mischungen mit hoher optischer Anisotropie ist zu erkennen, dass diese
Mischungen ebenfalls eine höhere THz-Doppelbrechung besitzen.
Mit Blick auf die enorme Anzahl der existierenden Flüssigkristalle und Mischungen,
wird klar, dass die THz-Flüssigkristallforschung erst am Anfang steht und die THz-
Eigenschaften vieler Flüssigkristalle bisher noch unbekannt sind. Zur Bestimmung von
Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ist deshalb die Charakterisierung neuer Substanzen
eine zukünftige Aufgabe. Auf der Basis der Untersuchungen ist es möglich,
Flüssigkristalle mit spezifischen THz-Eigenschaften wie z.B. einer höheren
Doppelbrechung und einer geringeren Absorption zu entwickeln.
Das Anwendungspotential der Flüssigkristalle wurde anhand eines schaltbaren THz-
Filters und eines Phasenschiebers demonstriert. Beide Bauteile sind in der Form bisher
einzigartig. Beide Bauteile lassen sich elektrisch schalten und über einen großen
Bereich abhängig von der Höhe der angelegten Spannung durchstimmen. Während das
THz-Filter eine Modulationstiefe bis zu 30dB aufweist, kann mit dem Phasenschieber
eine 2π−Phasenverschiebung erreicht werden. Neben dem THz-Filter und dem
Phasenschieber wurde zudem das Konzept eines Prismenmodulators vorgeschlagen und
verschiedene Anwendungsszenarien für die vorgestellten Bauteile aufgezeigt. Das THz-
Filter und der Phasenschieber eignen sich insbesondere für die cw-THz-Spektroskopie,
wogegen der Prismenmodulator auch in Spektrometern mit gepulster THz-Strahlung
zum Einsatz kommen könnte. Der große Vorteil der flüssigkristallbasierenden Bauteile
gegenüber schaltbaren Halbleiterbauteilen liegt in der großen Modulationstiefe.
Während aktuelle THz-Modulatoren auf Halbleiterbasis Modulationstiefen von nur
3 dB erreichen, weist z.B. der präsentierte THz-Flüssigkristallfilter eine
Modulationstiefe von 30 dB auf. Zukünftig müssen aber vor allem die Schaltzeiten der
THz-Flüssigkristallbauteile verbessert und die Gesamtabsorption der Bauteile reduziert
werden.