Eigenschaften und Anwendungen von Flüssigkristallen im Terahertz-Frequenzbereich

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.