铁磁向列液晶材料的磁光特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 3.43MB 60 页 15积分

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摘要

磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过表面活性剂高度均匀分散于某种载

液中所形成的稳定胶体体系，是一种新型复合功能材料。这种新型人工合成材料

既具有固体磁性物质的强磁性又具有液体物质的流动特性。近几十年来，由于光

通信及集成光学的迅速发展，使得磁流体光学性质吸引了越来越多人的注意，如

可调折射率、光散射、双折射、法拉第旋光效应、光透射等。

本论文主要研究了基于磁流体的一种复合材料——铁磁向列液晶的磁光特

性。所用的铁磁向列液晶是由油基铁氧体磁流体与向列液晶 5CB 经过超声混溶制

备而成，具有良好的稳定性。具体研究了磁性颗粒浓度与液晶浓度对纯磁流体薄

膜样品及铁磁向列液晶薄膜样品在外加磁场下的光学特性（双折射

n

和光学性能

品质因子

）。结果表明，纯磁流体薄膜样品与铁磁向列液晶薄膜样品的双折射及

光学性能品质因子

都随着磁场强度的增加而增大，并逐渐趋于饱和，且磁性颗

粒浓度越高其双折射值越大。在固定场强下，对于铁磁向列液晶薄膜样品，所含

的液晶 5CB 浓度越高，其光学性能品质因子

值就越大。结果表明，磁性颗粒浓

度对铁磁向列液晶薄膜的双折射有重要的影响，而液晶 5CB 浓度不影响其双折射，

但液晶 5CB 浓度对铁磁向列液晶薄膜样品的光学性能品质因子

有重要影响，而

磁性颗粒浓度对光学性能品质因子

没影响。与之相应的纯磁流体薄膜样品相比，

铁磁向列液晶薄膜样品的光学性能品质因子

最大可以增加 6.8%左右。

论文还研究了入射光波长、薄膜样品厚度、磁性颗粒浓度、液晶 5CB 浓度和

磁场强度对铁磁向列液晶薄膜样品的光透射率的影响。实验结果表明：铁磁向列

液晶薄膜样品与纯磁流体薄膜样品的光透射率都随入射波长的增加而增大，随磁

性颗粒浓度和薄膜样品厚度的增加而减小。在给定波长下，这两种材料薄膜的光

透射率随着外磁场强度的增大而会有微弱地增加。对于磁性颗粒浓度相同的铁磁

向列液晶薄膜样品，液晶 5CB 的浓度越高，其光透射率也相对较高。实验结果显

示，具有相同磁性颗粒浓度的纯磁流体薄膜样品和铁磁向列液晶薄膜样品，由于

液晶 5CB 的掺入，在波长

500nm





时，其光学透射率增加近 190%。

关键词：磁流体向列液晶铁磁向列液晶材料双折射光学性能品质

因子透射率

ABSTRACT

Magnetic fluid (MF) is a kind of stable colloidal suspension of small magnetic

particles with typical sizes of 10 nm. It is a novel functional material in optical field,

which possess both the fluidity of liquids and the magnetism of solid magnetic materials.

Because of the dramatic development of optical communication and integrated optics，

the optical properties of MF have attracted a great deal of attention from researchers

since the late part of the 20th century, which include tunable refractive index ,

birefringence, Faraday effect, optical transmittance, optical scattering and so on.

The optical properties (birefringence and figure of merit of optical properties) of

the pure MF and ferronematic thin films under externally applied magnetic field are

investigated mainly in this treatise. The pure MF and the ferronematic samples show the

similar magnetic-field-dependent properties of birefringence and figure of merit, which

increase with the magnetic induction and tend to saturate at high field. Both types of

samples with high volume fraction of magnetic particle have high birefringence.

Besides, the ferronematic material with high volume fraction of 5CB has relatively high

value of

under certain fixed field strength. The experimental results reveal that the

magnetic particle concentration is crucial to the birefringence of the samples and 5CB

concentration has no influence on the birefringence of the samples. However, the 5CB is

crucial to the figure of merit of optical properties of the ferronematic samples and

magnetic particle concentration has no influence on the figure of merit of optical

properties of the ferronematic samples. The

values of the ferronematic materials are

larger than those of their counterparts (pure MFs). The maximum relative increase in

value is around 6.8% for our experimental samples.

The optical transmittance of pure MF and ferronematic thin films as a function of

incident wavelength in the visible range are also investigated. The transmittances of

pure MF and ferronematic samples increase gradually with the incident wavelength and

decrease with the magnetic particle concentrations and thicknesses of the samples.

Moreover, the transmittances of both kinds of samples increase slightly with the

magnetic field strength at certain wavelength. For the ferronematic materials, the

sample with high volume fraction of 5CB has a relatively high transmittance. The

maximum relative enhancement of transmittance of our experimental samples is

obtained to be around 190% at the wavelength for 500 nm.

Key Word: Magnetic fluid, Nematic liquid crystal, Ferronematic

materials, Birefringence, Figure of merit of optical properties,

Transmittance

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 引言 ................................................................................................................ 1

1.2 磁流体简介 .................................................................................................... 2

1.3 磁流体的制备方法 ........................................................................................ 5

1.3.1 铁酸盐系磁流体的制备方法 ................................................................. 5

1.3.2 金属系磁流体的制备方法 ..................................................................... 6

1.3.3 氮化铁系磁流体的制备方法 ................................................................. 7

1.4 磁流体的物理性质 ........................................................................................ 8

1.5 磁流体的应用 .............................................................................................. 11

1.6 课题研究内容和意义 .................................................................................. 15

第二章磁流体体系材料的磁光效应 ................................................................... 17

2.1 磁流体的磁光性能 ...................................................................................... 17

2.2 磁光效应的理论分析 .................................................................................. 24

2.3 磁流体磁光效应研究概况 .......................................................................... 29

第三章铁磁向列液晶材料的双折射特性 ........................................................... 32

3.1 铁磁向列液晶的配制 .................................................................................. 32

3.2 双折射的测量方法 ...................................................................................... 34

3.3 结果和讨论 .................................................................................................. 36

3.4 本章小结 ...................................................................................................... 41

第四章铁磁向列液晶材料的光透射特性 ........................................................... 43

4.1 样品配制 ...................................................................................................... 43

4.2 光透射率的测量方法 .................................................................................. 44

4.3 结果和讨论 .................................................................................................. 45

4.4 本章小结 ...................................................................................................... 49

第五章总结与展望 ............................................................................................... 50

参考文献 ................................................................................................................. 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................................... 57

致谢 ....................................................................................................................... 58

第一章绪论

1.1 引言

1960 年7月，美国科学家西奥多·梅曼（Theodore Maiman）在加利福尼亚的

休斯航空实验室里首次成功研制出了以红宝石为激活介质的固体激光器

[1-3]

。而激

光器的前驱是微波激射器，由美国哥伦比亚大学教授查尔斯·汤斯（Charles Townes）

于1954 年研制出

[4]

。这两者都是基于 Einstein 在1916 年提出的受激辐射相关原理

[5]

。由于激光的产生机理与普通光源发光不同，这就使得激光具有不同于普通光的

一系列性质：单色性好、相关性好、亮度高、方向性好等。激光技术是一项突破

性技术，激光技术的发展也极大地带动了其他领域相关科学研究的快速发展，涉

及到工业科学发展的多个领域的多方面应用。到目前为止，激光已广泛应于精密

测量、出版业、医疗、通信、国防、科学与工程研究、家庭娱乐和服务业等各个

领域，对科学技术和经济的发展有着深远的影响，同时科学技术的进步与经济的

发展也为激光技术本身的进步和变革提供了强大动力

[6]

。

通讯是人类社会生活中的一部分，尤其在现代社会生活中，通讯更是不可或

缺。激光出现以后，极大鼓舞了光通讯的研究工作，从根本上改变了光通讯的面

貌。由于激光是一种方向性极好的单色相干光，把激光作为理想的信息载体，作

为通讯的一种方式，可以取代或补偿微波通讯的不足。激光通讯与传统无线电磁

波通讯相比，有着长足优势：光功率集中、通讯容量大、保密性强、单色性好、

方向性强、结构轻便，设备经济等。目前，已有很多国家对激光通讯技术进行了

广泛的研究。激光通讯经历了大气通讯和光波导通讯两个重要的发展时期。早期

的大气激光通讯曾引发国际性的研究热潮，许多经济发达的国家在这个阶段投入

了大量的人力、物力和财力，对激光大气通讯进行了深入而广泛的开发研究。然

而，进入上个世纪 80 年代后期，由于对通过大气信道后的光功率补偿、消减大气

湍流对信道折射率随机影响等主要技术问题未能得到很好的解决，使得国内外多

数从事激光大气通讯技术的科研机构陆续止了对其深入研究

[7]

。直到后来，当激光

与另一种发明——光导纤维结合时，才使得光通讯重新获得了新生并且得到迅速

发展。随着器件产品的成熟与工艺、地面通讯系统等技术的完善，使得早期大气

激光通讯的设想得以实现。目前，国内外用于大气激光通讯的半导体激光器和接

收器件均已实现了商品化，能够完全满足 15 km 以内的大气通信系统要求

[8]

。

随着经济的发展，日常人们通讯容量急剧上升，使得现有的通讯技术不能满

足人们基本通讯容量的要求，这就需要人们借助新的通讯手段来到达高速通讯的

目标，以解决人们日夜增长通讯容量要求与目前落后通讯技术之间的矛盾。通过

采用全光通讯技术可以解决人们在通讯中所遇到传输速度和信号带宽等问题。全

铁磁向列液晶材料的磁光特性研究



光通讯技术系统大致分为光源子系统，发射、吸收子系统，调制解调探测子系统

和瞄准、捕获、跟踪子系统四部分。这就是说全光通讯系统除了有优质光源和低

损耗传输介质以外，还得有能对信号处理的优质的光子器件

[9]

。光子器件是光通讯

技术系统硬件的重要组成部分，其性能的好坏将直接决定着整个光通讯系统的各

项通讯指标，伴随着光通信技术的发展，光子器件也得到了长足的进步和发展

[10]

。

人们通过不断地对新材料探究及利用新的方法理论去研制光子器件，使得光子器

件的性能得到了提高，功能得到改善，以来适应光通讯技术的发展。纳米磁流体

是一种新型复合材料，既有固体磁性材料的磁性，又有液体溶液的流动性，所以

在外场作用下可以实现连续调节，表现出多种特殊的光学性质，如：双折射效应

（Magneto-birefringence）、二向色性(Dichroism)、法拉第旋光效应(Faraday Effect)

等。这种新型复合材料由于独特的光学性质且可由外场调控，为光子器件的制作

提供了更好的材料选择。

1.2 磁流体简介

[11, 12]

自然界中的磁性物质都是以固态形式存在的。当固态物质加热到熔点后，就

会熔化成液态磁性物质，这个时候磁性物质的磁性会几乎消失掉。这是由于一般

的磁性物质其熔点一般大于其居里(Curie)温点。所以为了得到液态磁性物质，就必

须通过人工合成的方法制得，所合成出的液态磁性物质通常被称作为磁流体

（Magnetic liquid）。纳米磁流体(Ferromagnetic fluids)又称为磁性液体、铁磁性液

体、铁磁流体、磁性流体、磁液等，它借助表面活性剂(Surfactant)的作用，将纳米

级别的磁性颗粒(Magnetic nonoparticle)分散于某种液态载液中所形成的非常稳定

且带有磁性的胶态体系，是具有磁性、流动性的悬浮液体，其结构示意图如图 1-1

所示。

图1-1 纳米磁性颗粒结构示意图

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摘要：

摘要磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过表面活性剂高度均匀分散于某种载液中所形成的稳定胶体体系，是一种新型复合功能材料。这种新型人工合成材料既具有固体磁性物质的强磁性又具有液体物质的流动特性。近几十年来，由于光通信及集成光学的迅速发展，使得磁流体光学性质吸引了越来越多人的注意，如可调折射率、光散射、双折射、法拉第旋光效应、光透射等。本论文主要研究了基于磁流体的一种复合材料——铁磁向列液晶的磁光特性。所用的铁磁向列液晶是由油基铁氧体磁流体与向列液晶5CB经过超声混溶制备而成，具有良好的稳定性。具体研究了磁性颗粒浓度与液晶浓度对纯磁流体薄膜样品及铁磁向列液晶薄膜样品在外加磁场下的光学特性（双折射n...

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