Investigación

 

Preparation, structural and NLO-optical characterization of LB-molecular films from asymmetric Bent-Core liquid crystals

 

P. García-Vázquez^α, O.G. Morales-Saavedra^b, **, M.D.P. Carreón-Castro^α,*, and G. Pelzl^c

 

^α Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior Ciudad Universitaria, Apartado Postal 70-543, Coyoacán, 04510, Cd. Universitaria, México D. F. México, * Tel: (+52-55)56.22.46.74/75/85, Fax: (52-55)56.22.47.07. e-mail: pilar@nucleares.unam.mx

^b Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México, CCADET-UNAM. Circuito Exterior S/N, Ciudad Universitaria, Apartado Postal 70-186, C.P. 04510, México D.F, México, ** Tel: (+52-55)56.22.86.02, Ext. 1109, Fax: (5255) 56.22.86.37. e-mail: omar.morales@ccadet.unam.mx

^c Institut fur Physikalisches-Chemie, Martin Luther University, Halle-Wittenberg, Mühlpforte 1. D-06108 Halle. Germany.

 

Received 5 March 2014;
Accepted 19 August 2014

 

Abstract

Molecular mono- and multilayered films of a polar asymmetric bent-core ("banana-shaped") liquid crystalline (LC) compound with hydrocarbon end-chains were prepared by the Langmuir-Blodgett (LB) technique. Langmuir films were characterized by surface pressure isotherms and Brewster angle microscopy (BAM). Likewise, LB-films deposited onto glass substrates were characterized by UV-VIS spectroscopy, the optical second harmonic generation (SHG) technique and atomic force microscopy (AFM). Results show that the asymmetric structure of bent-core liquid crystals may promotes an unstable multi-layered (n > 10 LB-layers) LB-architecture which leads to a rapid collapse of Z-type arrangements, giving rise to a drastic decrease of the nonlinear optical (NLO) properties and film quality. Indeed, measurements evidence a tolerable and uniform molecular coverage on the glass substrates with anisotropic orientational distribution for a moderate number of layers only (n ≤ 10 LB-layers); where, according to NLO-experimental data, the net molecular polarization is aligned outward the substrate layer. This observation leads us to implement a simplified model based on the monomeric rod-like approximation, in order to estimate significant NLO-tensorial components and an effective molecular hyperpolarizability β_eff -coefficient along the polar axes of the 2D-polar LC-compound within the mechanical stable LB-monolayer arrangements.

Keywords: Langmuir-Blodgett films; non linear optics; liquid crystals; Bent-Core mesogens.

 

Resumen

Películas moleculares mono y multicapa a base de un compuesto asimétrico líquido cristalino (LC) con propiedades polares (del tipo "banana") y conteniendo cadenas terminales hidrocarbonadas, fueron preparadas sobre substratos de vidrio mediante la técnica de depósito Langmuir-Blodgett (LB). Previo al depósito, las películas de Langmuir fueron caracterizadas mediante isotermas de presión superficial y microscopía de ángulo de Brewster (BAM). Asimismo, las películas depositadas LB fueron caracterizadas por espectroscopía UV-VIS, por medio de la técnica de generación del segundo armónico óptico (SHG) y por microscopía de fuerza atómica (AFM). Los resultados muestran que estos compuestos LC asimétricos promueven la formación de estructuras LB multicapa altamente inestables (para n > 10 depósitos LB del tipo Z), lo cual conlleva a un rápido colapso de estos sistemas y a una drástica disminución de sus propiedades ópticas nolineales (NLO) y de la calidad estructural de las películas. En efecto, los resultados experimentales evidencian sistemas multicapa razonablemente homogéneos con una distribución molecular anisotrópica para sistemas LB con al menos un numero moderado de depósitos (para n ≤ 10). De acuerdo a mediciones de ONL, el momento dipolar neto de estos sistemas está alineado hacia afuera del plano del substrato; esto nos llevó a la implementación de un modelo simplificado (para el sistema mono-capa con mayor estabilidad mecánica), basado en la aproximación de moléculas tipo "rodillo"; esto para la evaluación de las componentes tensoriales más significativas de las propiedades de ONL de estas moléculas, así como para la estimación del coeficiente de híper-polarizabilidad molecular β_eff a lo largo del eje polar de este tipo de compuestos con estructura 2D.

Descriptores: Películas Langmuir-Blodgett; óptica no lineal; cristales líquidos; mesógenos banana.

 

PACS: 78.15.+e, 42.65.Ky, 78.66.-w.

 

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Acknowledgments

The authors wish to thank to Martín Cruz Villafañe for technical assistance (ICN-UNAM) and to J. Guadalupe-Banuelos (CCADET-UNAM) for AFM-imaging. Financial support from DGAPA-PAPIIT-UNAM (projects IN111711, PE213912 and IG100713) is also gratefully acknowledged. O.G. Morales-Saavedra acknowledges financial support from the DAAD academic organization and from the LC Halle-group (Germany).

 

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