Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПРОБЛЕМАТИКА РАБОТЫ 16
1.1 . Современная классификация полярных жидких кристаллов с точки зрения их диэлектрических свойств 16
1.2. Структура и симметрия фаз жидких кристаллов 21
1.3. Структура и симметрия фаз хиральных жидких кристаллов. Дипольное упорядочение в наклонных хиральных смектиках 25
1.4. Структуры смектических слоев в фазе С* жидких кристаллов 43
1.5. Диэлектрические свойства С*ЖК 60
1.6. Фазовый переход смектик А* - смектик С* и феноменологическая теория жидкокристаллических сегнетоэлектриков 72
1.7. Физические модели ориентации нематических и смектических С* жидких кристаллов твёрдыми поверхностями 87
1.8. Электрооптика сегнетоэлектрических жидких кристаллов 95
1.9 Гистерезис в смектических С* электрооптических ячейках 113
2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА 117
2.1. Пироэлектрические методы исследования С*ЖК 117
2.7.7. Пироэлектрический отклик и пироэлектрический коэффициент 117
2.1.2. Пироэлектрический метод диэлектрических измерений 122
2.1.3. Метод исследования релаксации возмущений мягкой моды 125
2.7.2. Пироэлектрические методы измерения упругости и вращательной вязкости 129
2.7.5. Пироэлектрический метод измерения поляризации С*ЖК 134
2.2. Методы исследования жидкокристаллических сегнетоэлектриков,
основанные на измерениях токов переполяризации 135
2.2.7. Ток переполяризации и диэлектрическая восприимчивость 135
2.2.2. Измерение спонтанной поляризации и вращательной вязкости методом интегрирования токов переполяризации 140
2.2.3. Измерение азимутальной вращательной вязкости по токам переполяризации 142
2.3. Оптические и электрооптические методы исследования жидкокристаллических сегнетоэлектриков 146
2.3.1. Идентификация мезофаз лсидких кристаллов и измерение шага спирали геликоида 146
2.3.2. Регистрация электрооптического отклика С*ЖК 148
2.3.3. Определение показателя двулучепреломления в фазе С* жидких кристаллов 149
2.3.4. Измерение свободной поверхностной энергии С*ЖК иориентантов 151
2.4. Технологическое и материаловедческое обеспечение эксперимента 154
2.4.1. Подготовка и исследование поверхностей прозрачных пластин для сборки жидкокристаллических ячеек 155
2.4.2. Сборка жидкокристаллических ячеек и контроль качества ориентации С*ЖК 161
2.4.3. Приготовление многокомпонентных жидкокристаллических сегнетоэлектрических смесей 166
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 2 167
3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ХИРАЛЬНЫХ СМЕКТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ 169
3.1. Спонтанная и индуцированная поляризация смектической А* и С* фаз жидких кристаллов 169
3.1.1. Спонтанная и индуцированная поляризация в фазах А* и С*
при полной раскрутке геликоида электрическим полем 169
3.1.2. Флексоэлектрическая поляризация геликоидальной смектической С* фазы 174
3.2. Механизмы дипольного упорядочения в смектической С* фазе 180
3.2.1. Моды спонтанной поляризации в смектической С* фазе 181
3.2.2. Микроскопическая природа дипольного упорядочения в смектической С* фазе 190
3.3. Жидкокристаллические сегнетоэлектрические смеси, образованные несегнетоэлектрическими компонентами 197
3.4. Спонтанная поляризация и геликоидальная структура фазы С* 203
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 3 207
4. ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВЕННО-ОДНОРОДНЫХ СМЕКТИКОВ С*, ОГРАНИЧЕННЫХ ТВЁРДЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ 209
4.1. Энергетические характеристики ориентации смектиков С* твёрдыми плоскими поверхностями 209
4.2. Пропускание полихроматического света однородными слоями смектиков С*, находящимися между скрещенными поляроидами 218
4.3. Молекулярные аспекты двулучепреломления С*ЖК 224
4.4. Электрооптический отклик планарно ориентированного пространственно-однородного слоя негеликоидального смектика С* 227
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 4 233
5. ВРАЩАТЕЛЬНАЯ ВЯЗКОСТЬ И ДИНАМИКА ДИРЕКТОРА СМЕКТИЧЕСКОЙ С* ФАЗЫ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ 234
5.1. Коэффициенты вращательной вязкости смектической С* фазы ЖК 234
5.2. Молекулярные аспекты вращательной вязкости смектиков С* 241
5.3. Минимизация времени переориентации директора С*ЖК во внешнем электрическом поле 246
5.4. Различия в динамике жёстких сердечников и алифатических фрагментов молекул С*ЖК 249
5.5. Свободная релаксация директора негеликоидального С*ЖК по азимутальному углу (р 251
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 5 255
6. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫХ СТРУКТУРАХ С*ЖК 257
6.1. Пропускание света геликоидальной структурой фазы С* 257
6.2. Электрооптический отклик геликоидальной структуры С*ЖК 261
6.3. Текстуры и электрооптические проявления сегнетоэлектрических доменов в планарно ориентированных негеликоидальных смектиках С* 270
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 6 277
7. СТАТИЧЕСКАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ФАЗЫ С* ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ 279
7.1. Сравнительный анализ статической диэлектрической восприимчивости негеликоидальных и геликоидальных смектиков С* 279
7.2. Энергия сцепления негеликоидального С*ЖК с твёрдой поверхностью и статическая диэлектрическая восприимчивость 286
7.3. Трансформация структуры смектических слоев во внешнем поле и полевые зависимости диэлектрической восприимчивости негеликоидальных С*ЖК 292
7.4. Диэлектрическая восприимчивость мягкой моды смектических ЖК 297
7.4.1. Общий подход к описанию диэлектрической восприимчивости мягкой моды и критерии слабого и сильного полей 298
7.4.2. Экспериментальные исследования диэлектрической восприимчивости мягкой моды в приблиэ/сении слабого поля 302
7.4.3. Диэлектрическая восприимчивость мягкой моды в сильных и средних полях 304
7.5. Диэлектрическая восприимчивость, теплоёмкость и свободная энергия мягкой моды сегнетоэлектрических смектиков 309
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 7 312
8. ГИСТЕРЕЗИС И ЭФФЕКТЫ ПАМЯТИ В СЛОЯХ СМЕКТИКОВ С*, ОГРАНИЧЕННЫХ ТВЁРДЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ 313
8.1. Гистерезис и устойчивость бистабильности состояний оптического пропускания 313
8.2. Факторы устойчивости бистабильности 318
8.2.1. Смещение центра петли гистерезиса 318
8.2.2. Коэрцитивная сила статической петли гистерезиса 324
8.2.3. Размытие петли гистерезиса 327
8.3. Области устойчивости бистабильности 330
8.3.1. Устойчивость бистабильности по отношению к изменению разности полярностей твёрдых подложек электрооптических ячеек 330
8.3.2. Устойчивость бистабильности по отношению к изменению спонтанной поляризации негеликоидального С*ЖК 332
8.4. Инверсная бистабильность электрооптического отклика капсулированного полимером С*ЖК (КПС*ЖК) 333
8.5. Условия отсутствия гистерезиса запоминаемых состояний оптического пропускания мультистабильных электрооптических
ячеек 337
- Современная классификация полярных жидких кристаллов с точки зрения их диэлектрических свойств
- Пироэлектрические методы исследования С*ЖК
- Спонтанная и индуцированная поляризация смектической А* и С* фаз жидких кристаллов
- Энергетические характеристики ориентации смектиков С* твёрдыми плоскими поверхностями
- Коэффициенты вращательной вязкости смектической С* фазы ЖК
Введение к работе
Данная работа посвящена изучению и созданию сегнетоэлектрических смектических С* жидких кристаллов (С*ЖК).
Актуальность работы проявляется в двух основных аспектах. Во-первых, С*ЖК являются интересными объектами фундаментальных исследований как жидкости, в которых существует самопроизвольное (спонтанное) упорядочение электрических диполей [1]. Во-вторых, С*ЖК открывают возможность создания нового поколения дисплеев и модуляторов света, которая постепенно реализуется на практике, что отражено, например, в монографиях С. Т. Лагервала [2] и В. Г. Чигринова [3]. Результаты исследований автора (при его активном участии) также использованы в обозначенной выше сфере научно-технической деятельности [4-І-9].
Для конкретности изложения необходимо напомнить, что жидкие кристаллы (ЖК) - это жидкости, обладающие упорядоченностью расположения составляющих их молекул. По типам упорядоченности молекул различают нематическую фазу ЖК, характеризуемую только ориентационным порядком, и смектические фазы, в которых существует как ориентационный, так и трансляционный порядок. Ориентационное упорядочение проявляется в существовании преимущественной ориентации длинных осей молекул, характеризуемой единичным вектором, п , который называется директором ЖК. Под трансляционным порядком в ЖК понимается периодическое упорядочение центров масс молекул, что трактуется как существование слоевой упаковки молекул [10,11].
Жидкие кристаллы, обладающие как ориентационным, так и трансляционным порядкам, называются смектическими ЖК. Смектические ЖК (или ещё их называют смектиками) обладают богатым полиморфизмом, то есть многообразием типов упаковок молекул в смектических слоях [12, 13]. Каждый известный тип упаковки получил своё собственное название как отдельная смектическая фаза: смектик А, смектик С, смектик F и т.д.
Наиболее значимым событием в физике смектических ЖК явилось открытие сегнетоэлектричества в этих средах. Американский физик Роберт Мейер в 1975 году теоретически показал возможность существования спонтанной поляризации в смектических С или Н фазах жидких кристаллов, состоящих из хиральных молекул (такие фазы обозначаются С или Н). Первый сегнетоэлектрический ЖК, в соответствии с идеей Мейера, был синтезирован французскими химиками [1]. С этого времени интенсивно развивается физика сегнетоэлектрических жидких кристаллов (их называют ещё жидкокристаллическими сегнетоэлектриками).
Быстродействие сегнетоэлектрических ЖК на два - три порядка выше, чем у нематических ЖК [14], используемых в настоящее время в качестве рабочих сред плоских дисплеев. Это даёт основания полагать, что изучение сегнетоэлектрических ЖК не только обогащает физику жидких кристаллов и физику сегнетоэлектричества, но и позволяет надеяться на создание нового поколения устройств отображения и обработки информации.
Приведенными соображениями автор руководствовался, когда 25 лет назад приступил к исследованиям жидкокристаллических сегнетоэлектриков. Представленная работа отражает основные направления исследований автора в области сегнетоэлектрических ЖК. Этих направлений три.
Во-первых, это решение классических задач сегнетоэлектричества [15ч-18] для частного случая смектической фазы С*. Конкретно сюда относятся исследования фазового перехода из параэлектрической фазы А* в сегнетоэлектрическую фазу С*, спонтанной поляризации и механизмов дипольного упорядочения, диэлектрической восприимчивости, гистерезиса, динамики движения директора и диссипации энергии.
Во-вторых, это изучение оптических и электрооптических свойств сегнетоэлектрической смектической фазы С*. Предметом исследования здесь является модуляция света пространственно однородными или неоднородными структурами С*ЖК [19-г22].
В-третьих, в работе исследуются молекулярные аспекты сегнетоэлектричества, под которыми понимаются корреляции между молекулярным строением смектика С* и его свойствами [23,24].
Целью работы являлось исследование физических свойств хиральной смектической С* фазы жидких кристаллов, включая изучение корреляций между молекулярным строением сегнетоэлектрических смектиков С* и их свойствами, и на этой основе разработка принципов создания жидкокристаллических сегнетоэлектриков как рабочих сред быстродействующих модуляторов света и дисплеев.
С момента открытия сегнетоэлектричества в жидких кристаллах до начала данной работы прошло всего пять лет. За эти годы были разработаны некоторые методы исследований С*ЖК, такие, как метод токов переполяризации Мартино-Лагарда [25], пироэлектрический метод Л. М. Блинова с соавторами [26], диэлектрический метод Б. И. Островского [27]. Эти методы позволили подтвердить наличие спонтанной поляризации Рс в смектической С* фазе ЖК и точно измерить её зависимости от температуры и параметра порядка.
Вместе с тем методологическая база исследований СЖК ещё была далеко не полной. Отсутствовали методы статических диэлектрических измерений, измерений диссипации энергии, методы измерения энергии взаимодействия смектика с твёрдой поверхностью. Поэтому одной из задач настоящей работы было создание новых методов исследований сегнетоэлектрических ЖК.
Большая часть исследований сегнетоэлектрических ЖК, предшествующих данной работе, выполнена на однокомпонентных смектиках С*, отличающихся низкой термической стабильностью, и вместе с тем имеющих сегнетоэлектрическую фазу при температурах 75 С-ь95 С. Такими были первые жидкокристаллические сегнетоэлектрики ДОБАМБЦ [1] и ГОБАХПЦ [14], с точки зрения химической классификации представляющие собой основания Шиффа. Термическое разложение этих веществ начинается уже через 3-М часа после их нагрева до температуры сегнетоэлектрических смектических фаз С* или Н*. Таким образом, спустя пять лет после открытия сегнетоэлектрических ЖК ещё не могло быть и речи не только об их практическом использовании, но и даже о длительном исследовании одного и того же образца.
В сложившейся ситуации естественным образом возникла необходимость создания химически устойчивых и термически стабильных сегнетоэлектрических ЖК (С*ЖК), обладающих широким интервалом температур фазы С*, включающим комнатные и более низкие температуры. Разумеется, решение этой задачи было немыслимо без химического синтеза новых структур жидкокристаллических сегнетоэлектриков. Первый термически стабильный и химически устойчивый жидкокристаллический сегнетоэлектрик описан в работе [28], но его спонтанная поляризация была меньше, чем у описанных ранее материалов [1, 14]. К тому же следует отметить, что возможности улучшения ЖК одновременно по всем параметрам только за счёт синтеза однокомпонентных материалов совершенно не очевидны. Во всяком случае, до сих пор в мире нет ни одного однокомпонентного жидкокристаллического материала, используемого для практических приложений.
В жидкокристаллических устройствах отображения информации всегда используются смеси многих компонентов, некоторые из которых даже не являются жидкими кристаллами. Идеологически создание таких смесей родственно созданию металлических сплавов, хотя конечно, существуют принципиальные и технологические различия [29]. Принцип создания С*ЖК из несегнетоэлектрических компонентов предложен В. Кучинским (Польша) и Г. Штегемейером (Германия) [30], но параметры разработанной ими смеси значительно хуже, чем у любого из известных однокомпонентных С*ЖК.
После сделанных замечаний уместно сформулировать вторую задачу работы. Она заключается в разработке физических принципов материаловедения С*ЖК, позволяющих целенаправленно создавать жидкокристаллические сегнетоэлектрические материалы для различных приложений в устройствах отображения информации и модуляции света.
Третья задача работы заключается в поиске новых электрооптических эффектов в С*ЖК и анализе возможностей их практического использования. Способами достижения поставленной цели являются вариация пространственной структуры С*ЖК за счёт изменения его химического строения, а также вариация условий на границе раздела с твёрдой поверхностью. Оба способа дают возможность управления видом функции л(г), а, следовательно, и управления электрооптическим поведением С*ЖК. В рассматриваемом контексте электрооптический эффект - это ни что иное, как оптическое проявление реакции той или иной пространственной структуры С*ЖК на воздействие электрического поля.
Решение задач в рамках поставленной цели и направлений исследований определяет научную новизну данной работы.
Практическая значимость работы определяется, прежде всего, степенью использования разработок автора в устройствах отображения и обработки информации. Жидкокристаллические сегнетоэлектрические материалы, созданные автором данной работы, использованы в дисплейных матрицах [8], в приборах объёмного видения и коммутаторах световых потоков [6,7,9], в устройствах преобразования световых сигналов типа "фотопроводник - жидкий кристалл" [4,5]. При этом автор лично участвовал в создании всех перечисленных выше приборов. Электрооптический эффект деформированного полем геликоида, открытый вместе с коллегами из Института Кристаллографии РАН и фирмы Roche (Швейцария), использован для создания активно-матричного дисплея [31], а эффект мультистабильности состояний пропускания света - для адресации уровней серого в пассивно адресуемых дисплеях [32]. В ходе выполнения данной диссертационной работы автором получено 25 патентов, как российских, так и международных, наиболее значимыми из которых автор считает патенты [ЗЗт-42].
Результаты работы, определяющие основные защищаемые положения:
1. Новые методы исследования сегнетоэлектрических ЖК: дифференциальный пироэлектрический метод измерений статической диэлектрической восприимчивости С*ЖК, пироэлектрический и электрооптический методы измерения вращательной вязкости С*ЖК, методы измерения энергии сцепления С*ЖК с твёрдой поверхностью, метод измерения свободной поверхностной энергии С*ЖК.
2. Новые электрооптические эффекты в фазе С* ЖК: эффект высокочастотной электрооптической модуляции при деформации спирали геликоида смектического С* ЖК в электрическом поле, эффект инверсной бистабильности в капсулированных полимером С* ЖК, эффект мультистабильности состояний пропускания света в фазе С*.
3. Описание механизмов дипольного упорядочения в С*ЖК: полученная теоретически и подтверждена экспериментально общая формула зависимости спонтанной поляризации от параметра порядка, доказательства того, что микроскопическими причинами дипольного упорядочения в фазе С* являются индукционные диполь-дипольные взаимодействия, а также стерические взаимодействий между хиральными центрами молекул.
Описание фазового перехода из параэлектрической фазы А* в сегнетоэлектрическую фазу С* в рамках теории Ландау.
Описание диссипации энергии при переориентации молекул С*ЖК с помощью двух коэффициентов вращательной вязкости, один из которых соответствует ориентационному упорядочению молекул, второй -трансляционному. Общие формулы зависимостей обоих коэффициентов от параметра порядка.
Описание статической диэлектрической восприимчивости фазы С* через её взаимосвязь с энергией упругости и энергией сцепления с твёрдой поверхностью.
Описание динамики электрооптического отклика и оптических характеристик модуляторов света на основе С*ЖК.
Утверждение, что явление гистерезиса и связанные с ним эффекты памяти в дисплейных ячейках на основе С*ЖК не являются неотъемлемыми свойствами С*ЖК, а существуют только внутри многомерной ограниченной области параметров жидкого кристалла, ограничивающей его твёрдой поверхности и управляющих напряжений.
Разработка физических принципов создания жидкокристаллических сегнетоэлектрических материалов для устройств модуляции света и отображения информации.
Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.
Современная классификация полярных жидких кристаллов с точки зрения их диэлектрических свойств
К моменту начала данной работы число публикаций, посвященных исследованию сегнетоэлектрических жидких кристаллов, не превышало сотни, а к настоящему времени опубликовано уже более двух тысяч статей. Столь бурное развитие рассматриваемой области исследований не позволяет проанализировать ситуацию в физике сегнетоэлектрических ЖК в целом в рамках данной главы, для этого необходима специальная книга. Такая книга [2] уже написана С. Т. Лагервалом в 1999 году. Основные достижения феноменологической теории жидкокристаллических сегнетоэлектриков рассмотрены в книге С. А. Пикина [43]. Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических ЖК, в том числе открытые и исследованные при участии автора данной диссертационной работы, описаны в книге Л. М. Блинова и В. Г. Чигринова [44]. Молекулярные аспекты сегнетоэлектричества в жидких кристаллах наиболее подробно рассмотрены в нашей монографии [45], а также в книге Д. Демуса с соавторами [46].
Целью данной главы является изложение и анализ литературных данных, соответствующих направлениям исследований автора, результаты которых представлены в диссертационной работе.
Термин "сегнетоэлектрические жидкие кристаллы" (по-английски ferroelectric liquid crystals) первоначально появился [1] для обозначения наличия самопроизвольного дипольного упорядочения в жидких кристаллах. Со временем стало ясно, что в жидких кристаллах существуют все те же типы дипольного упорядочения, что и в твёрдых кристаллах. Полярные жидкие кристаллы подразделяются на сегнетоэлектрики, антисегнетоэлектрики, ферриэлектрики и гелиэлектрики [46]. Основой классификации полярных ЖК являются типы дипольного упорядочения и их макроскопические проявления, а именно зависимости макроскопической поляризации от электрического поля, приведенные на рисунке 1.1. На уровне этой классификации никаких отличий жидких кристаллов от других диэлектриков не существует. Зависимости Р(Е)- это "отпечатки пальцев" того типа дипольного упорядочения, с которым мы имеем дело.
Верхняя диаграмма рисунка 1.1 характеризует поведение любого неполярного диэлектрика во внешнем поле, и, в частности, любого жидкого кристалла, не обладающего спонтанным дипольным упорядочением. В малых полях Е макроскопическая поляризация Р прямо пропорциональна полю [47]: где N- число молекул в единице объёма, р- дипольный момент единицы объёма, к- постоянная Больцмана, г- абсолютная температура. Критерием малости поля в данном случае является соотношение так как степень ориентации диполей неполярного диэлектрика по внешнему электрическому полю определяется фактором Больцмана е кт, где - U = -pE - объёмная плотность потенциальной энергии диполей в электрическом поле.
Пироэлектрические методы исследования С*ЖК
Пироэлектрический метод, использованный впервые для исследований С ЖК в работах Л. А. Вереснева и Л. М. Блинова [26, 252], позволил им измерить температурные зависимости пироэлектрического коэффициента, времени релаксации мягкой моды и спонтанной поляризации. В данной диссертационной работе пироэлектрический метод получил дальнейшее развитие. В частности, были разработаны оригинальные пироэлектрические методики диэлектрических измерений, а также измерений вращательной вязкости и упругости мягкой моды С ЖК.
В исследованиях использованы как оригинальные авторские пироэлектрические методики, перечисленные выше, так и заимствованные из работ [26, 252, 253]. Основные результаты этих работ включены в данный раздел, поскольку это необходимо, как для изложения авторского вклада в развитие пироэлектрического метода, так и для описания некоторых исследованных автором эффектов.
В эксперименте можно измерить пироэлектрический коэффициент у, который, по определению, равен производной макроскопической поляризации Р по температуре Т при постоянных значениях плотности вещества р и электрического поля Е. Строго говоря, непосредственно измеряемым параметром является не пирокоэффициент, а пироэлектрический отклик - импульс электрического тока (или напряжения), который возникает вследствие изменения макроскопической поляризации пироэлектрика при нагреве его тепловым импульсом. Величина пирокоэффициента определяется из соотношения, связывающего пирокоэффициент и амплитуду пироэлектрического отклика.
Если образец пироэлектрического материала ограничен двумя плоскими проводящими поверхностями, параллельными друг другу и равными по площади, то при нагреве пироэлектрика импульсом тепла между проводящими поверхностями возникает импульс напряжения U(t), зависящий от величины пирокоэффициента: где S - площадь проводящих поверхностей, ограничивающих пироэлектрик, RH. электрическое сопротивление между этими поверхностями, t - время.
Спонтанная и индуцированная поляризация смектической А* и С* фаз жидких кристаллов
Как известно (глава 1), в смектической С фазе существует спонтанная поляризация, являющаяся следствием наличия полярной оси в смектике С . Однако описание поляризованных состояний в смектике С не может быть ограничено только рассмотрением спонтанной поляризации. Согласно общим представлениям феноменологической теории [10], электрическое поле индуцирует в фазе С дополнительные вклады в поляризацию, связанные с коллективными модами: мягкой и голдстоуновской. В фазе А также существует вклад в поляризацию, обусловленный мягкой модой, благодаря которому наблюдается электроклинный эффект [200, 201]. Наконец, в фазах А и С , как и в любом диэлектрике, имеет место обычная поляризация молекул во внешнем поле.
Индуцированная электрическим полем поляризация коллективных мод, согласно результатам параграфа 1.5, описывается в терминах диэлектрической восприимчивости этих мод. В следующем параграфе описано экспериментальное исследование всех перечисленных вкладов в поляризацию по отдельности.
Полная раскрутка геликоида во внешнем поле, превышающем некоторое критическое значение Ес , которое для классического С ЖК ДОБАМБЦ составляет примерно 105 В/м (рисунок 2.4), приводит к подавлению голдстоуновской моды. В этом случае измеряемое значение макроскопической поляризации, вообще говоря, состоит из суммы трёх вкладов в поляризацию согласно соотношению (2.1.4.3).
Для разделения этих вкладов использованы пироэлектрические методики, описанные в параграфе 2.1. Температурные зависимости пироэлектрического коэффициента образца С ЖК, находящегося в постоянном электрическом поле (рисунок 2.2), как это следует из соотношения (2.1.4.6), содержат вклады от спонтанной поляризации и индуцированной полем поляризации мягкой моды. Составляющая поляризации Ри = х0Е не даёт вклад в пироэлектрический отклик, поскольку высокочастотная часть диэлектрической восприимчивости j0 почти не зависит от температуры. Температурная зависимость пироэлектрического отклика у(Т.Е) образца С ЖК в постоянном внешнем поле, согласно (2.1.4.6) и (2.1.4.7), записывается в виде: дР где у0{Т) = —- - это производная спонтанной поляризации по температуре
Энергетические характеристики ориентации смектиков С* твёрдыми плоскими поверхностями
Рассмотрение оптических свойств С ЖК логично начать с выяснения условий получения двух основных типов ориентации: планарной (рисунок 1.12) и гомеотропной (рисунок 1.30). Вторая значимая задача - управление качеством ориентации слоя С ЖК, то есть минимизация дефектности этого слоя. Решение обеих задач в данной работе базируется на сравнительном анализе свободной поверхностной энергии С ЖК и ориентантов, как это сделано Крейгом и Кметцем [178] для нематических ЖК.
Энергетический анализ типов ориентации сводился к проверке справедливости условия (1.7.2) для смектиков С . Кроме того, в дополнение к идее Крейга и Кметца, мы провели энергетический анализ качества планарной ориентации С ЖК, что является оригинальной идеей данной работы. Измерение свободной поверхностной энергии (СПЭ) С ЖК и ориентантов проводилось по методике, изложенной в разделе 2.3.4. Качество планарной ориентации С ЖК в ячейках с плоско-параллельными подложками (рис. 2.27) оценивалось как визуально, по фотографиям текстур, так и количественно, по результатам измерения контрастного отношения.
В эксперименте измерялись, в частности, углы смачивания ITO, негеликоидальных С ЖК-424 и С ЖК-500, хромолана, фторопласта, полиимида ПМДА-ОДА, натёртая поверхность которого обеспечивает планарную ориентацию жидких кристаллов, а также плёнки дихроичного азо-красителя SD-1, используемого в качестве фото-ориентанта [274]. Структурные химические формулы ПМДА-ОДА и SD-1 приведены в параграфе 2.4.1. Результаты измерений углов смачивания и расчёта свободной поверхностной энергии согласно методике, описанной в разделе 2.3.4, приведены в таблице 4.1.
Данные таблицы 4.1 в сочетании с исследованием текстур С ЖК ячеек, полученных на различных ориентантах, подтверждают энергетический критерий типов ориентации (1.7.2). В частности, при использовании хромолана в качестве ориентанта получается гомеотропная ориентация С ЖК, а СПЭ хромолана (32,7-Ю"3 Дж/м2) меньше, чем СПЭ С ЖК-424 (44,2-10"3 Дж/м2, таблица 4.1). Если СПЭ ориентантов больше, чем СПЭ С ЖК (например, натёртый полиимид ПМДА-ОДА или фото-ориентант SD-1), то в наших экспериментах получается планарная ориентация С ЖК.
Коэффициенты вращательной вязкости смектической С* фазы ЖК
Вращательная вязкость жидких кристаллов - это диссипативный коэффициент в уравнениях динамики директора ЖК. В частности, динамика полярного угла 9 под действием сил упругости описывается уравнением (2.1.4.8), а азимутального угла q под действием электрического поля -уравнением (2.2.3.1). Нематическая фаза ЖК характеризуется наличием одного коэффициента вращательной вязкости, обозначаемого у\. В фазе С динамика директора описывается двумя коэффициентами вращательной вязкости: уоъу р, температурные зависимости которых показаны на рис. 5.1.
Результаты эксперимента (рис. 5.1) в самом общем плане можно объяснить существованием двухкомпонентного (комплексного) параметра порядка (1.2.3) смектика С , компоненты которого ви ср не зависят друг от друга. Поэтому локальные повороты директора по вир, вообще говоря, и должны характеризоваться разной диссипацией энергии. Эксперимент только показывает величину этого различия. При одинаковом удалении от температуры фазового перехода А - С коэффициент уд на два порядка больше коэффициента yv . Это означает, что энергетически выгодными являются повороты директора по ср, а по 0 повороты осуществляются только в том случае, когда степень свободы по р каким-либо способом (например, с помощью электрического поля или температуры) блокирована. Именно такая ситуация и наблюдается в эксперименте.
Похожие диссертации на Физические свойства смектической С* фазы жидких кристаллов и принципы создания жидкокристаллических сегнетоэлектриков с заданными электрооптическими свойствами
