Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1.Нематических и смекгических кристаллов ( обзор литературы )
1.1.Характеристики жидкокристаллических текстур и электрооптические эффекты 6
1.2.Электроконвективные домены в планарных нематиках с отрицательной диэлектрической анизотропией
1.3.Модели ЭГД~неустойчивости в планарных нематиках. 10
1.4. Деформация ориентации и скорости течения в доменах
Вильямса 26
1.5.ЭГД~неустойчивость нёматических жидких кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией и изотропной фазы 29
1.6.Домены в смектической С - фазе 39
1.7.ЭГД~неустойчивость смектической А - фазы с положительной диэлектрической анизотропией 45
ГЛАВА 2. Методика эксперимента и характеристика исследуемых соединений 50
2.1.Электрооптическая ячейка 50
2.2. Экспериментальные методы исследования 52
2.3.Характеристика исследуемых соединений 55
ГЛАВА 3. Пороговые характеристики планарных текстур нжк с отрицательной диэлектрической анизотропией 59
3.1.Пороговое напряжение возникновения линейных доменов в ПАА и МББА 59
3.2.Период линейных доменов и его корреляция с величиной порогового напряжения 66
3.3. Низкочастотный режим ЭГД«неустойчивости в ПАА 71
3.4.Скорость электроконвективного течения в доменах Вильямса 76
3.5.Деформация ориентации в доменах Вильямса 80 3.6.Характеристические параметры "режима проводимости"
для модели Хельфриха « Орсэ 85
ГЛАВА 4. ЭГД-неустойчивость в гомеотропной текстуре нематических кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией 94
4.1.Пороговые характеристики режима постоянной кривизны и режима осциллирующей кривизны в ЭААК 94
4.2. Пороговые характеристики ЭГД-неустойчивости в нематической фазе 102
4.3."Скрытая" ЭГД-неустойчивость в гомеотропной нематической текстуре 103
4.4.Электротермический эффект в режиме постоянной кривизны 108
ГЛАВА 5. ЭГД-неустойчивость в смекгических фазах
5.1.Электроконвективные домены в смектической С - фазе гептилоксибензойной кислоты
5.2.Пороговые характеристики доменов в смектической С - фазе п«н-ди«гептилоксиазоксибензола 122
5.3.Электрооптические эффекты в смектической А-фазе НФОБ 123 5.4.Влияние электрического поля на смектическую
А - фазу ЭААК 131
Заключение 137
Литература
- Деформация ориентации и скорости течения в доменах
- Экспериментальные методы исследования
- Низкочастотный режим ЭГД«неустойчивости в ПАА
- Пороговые характеристики ЭГД-неустойчивости в нематической фазе
Введение к работе
Электрогидродинамика жидких кристаллов выделилась в настоящее время как отдельное направление в физике жидких кристаллов. Эффекты, связанные с электроконвективным течением в жидких кристаллах, широко используются в ряде электрооптических устройств (индикаторных панелях, ячейках памяти и т.п.). Исследования, ставящие своей целью практическое применение уже обнаруженных явлений, ведутся в различных институтах Советского Союза и за рубежом. Ряд монографий L^~^J посвящен структуре и свойствам жидких кристаллов, многим вопросам электрогидродинамики.
Несмотря на это, последние экспериментальные данные свидетельствуют о недостаточной полноте наших представлений о механизме различных режимов электрогидродинамической неустойчивости в нематической и смектической фазах с различной молекулярной ориентацией.
Работы в области ЭГД-неустойчивости в смектических А и С-фа-зах носят предварительный характер, крайне малое число статей посвящено неустойчивости в гомеотропной текстуре нематических кристаллов.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование характеристик ЭГД-неустойчивости нематических и смектических жидких кристаллов с различной молекулярной ориентацией; определение пороговых условий возникновения ЭГД-неустойчивости. Нами был обнаружен ряд новых закономерностей и эффектов, в частности, экспоненциальная форма пороговых кривых в режиме проводимости, зависимость скорости течения от напряжения при различных частотах электрического поля, корреляция между формой частотных кривых порогового напряжения и периода доменов; новый низкочастотный режим в параазоксианизоле, электротермический эффект в режиме проводимости; эффект "скрытой" ЭГД-неустойчивости в гомеотропнои текстуре. Обнаружен и исследован режим, близкий к режиму проводимости, в гомеотропнои текстуре нематического кристалла с положительной диэлектрической анизотропией. Обнаружены два новых режима ЭГД-неустойчивости в гомеотропнои и конфокальной смектической А-фазе. Определены пороговые характеристики ЭГД-неустойчивости в смектической С-фазе и предложен механизм ее возникновения.
Полученные результаты могут быть полезными для дальнейшего развития теории жидкокристаллического состояния и должны учитываться при разработке жидкокристаллических устройств отображения информации, в которых используется эффект ЭГД-неустойчивости.
Деформация ориентации и скорости течения в доменах
Период доменов Л обычно определяется при пороге ЭГД-неус-тойчивости и является функцией частоты У и толщины и . В работе [б8] была получена прямолинейная зависимость На низких частотах ((в режиме "плато") А практически не зависит от частоты [40] . Отмечено увеличение А с толщиной обычно принимают
Отмечалось также, что коэффициент пропорциональности варьирует ся между 0,3 и 1,0 для различных серий образцов І69 . Во всех описанных случаях частота была достаточно мала, т.е. образец находился в режиме "плато" ). Судя по графику прямолинейная зависимость не проходит строго через начало координат. Прямопропорциональная зависимость типа имеет смысл только при погрешности в измерении І1 не менее + 5,0 мкм.
Для нематического метоксибензилиденбутиланилина (МББА) установлено N53,61] уменьшение Л с частотой У , особенно на высоких частотах. В модели "режима проводимости" [15 I этой зависимостью пренебрегали, считая для любых частот. Учет граничных условий позволил ГбІ 1 получить одновременно теоретические кривые Vn ( V ) и Л (( у ), но их совпадение с экспериментальными данными нельзя назвать удовлетворительным. Попытка ввести Л С ) прямым образом в уравнение для порога ЭГД-не-устойчивости также не удалась [54j . Экспериментально получена [54] приближенная зависимость
Для вещества н- ( п- бутоксибензилиден)- п- н- октиланилина полу чены [57 ] зависимости ) в"режиме проводимости". Независимо от температуры А. и ; J\ уменьшается с ростом У и уменьшением
Представляет значительный интерес определение угла и0 ориентационной деформации в зависимости от напряжения V электрического поля.
Одним из способов экспериментального определения и0 является измерение фокусных расстояний. Пенц 40] измерил Г и 1 (от середины образца) для ПАА со следующими параметрами: ( d = 38 мкм, Т = 130С, } = 100 Гц,J9 Ю7 Ю8 Ом-см, 6, V 6,8 В). Он наблюдал уменьшение і от 190 мкм при пороге (около 7 В) до Г 19 мкм при V У 8 В. Кэррол 53J исследовал дифракцию света на доменах в нематическом МББА ( V =80 Гц, U = 60 мкм, V- 8,4 В). Распределение интенсивности в дифракционных максимумах описывается функцией Здесь S-SLYL (где У[ - Угол дифракции), К0= /\ - волно вой вектор падающего света, N - число освещенных "щелей" дифраК ционной решетки доменов, Is А - волновой вектор доменов, dp - функция Бесселя р-ого порядка, Ф= jj Н0 {% ftjj90 (л Таким образом, Ф ё . На рис.9 показаны зависимости Ф &0 от V и \ и0 от V . Легко видеть, что эти зависимости явля ются в какой-то мере линейными только в малом интервале напряже ний от 8,4 В до 9 В.
Зависимость угла ориентационной деформации и0 от напряжения V электрического поля Са) и фокусные расстояния в и jH в функции напряжения V электрического поля ( б). Графики приведены из работы Пенца [40J для нематического ПАА. К сожалению не указаны ни толщина ячейки, ни температура, ни частота электрического поля. Он обнаружил, что I линейно зависит от V вблизи V и насыщается при V 8 В. Зависимость описывается эмпирической формулой где V - 4,8 В. Измерения были сделаны, начиная с 5,3 В, но Кэррол утверждает, что Vn ъ 4,8 В для его образца. Этот результат совершенно не согласуется с другими экспериментальными данными для ПАА, где Vn 6 т 8 В в низкочастотной области Г401 . Недавно утлы в ( V ) были расчитаны Яблонским и Блиновым [7l] для МББА С d = 20 мкм, 7" =22С, ) = 50 Гц, о _j _т б 2-Ю Ом «см ). В дифракционном эксперименте определялась интенсивность нулевого дифракционного максимума JL . Величина где аргумент функции Бесселя Ч- -тг (А и0 г. "11 В интервале 6,3 6,4 В зависимость А_! /Т от V носит один характер, в интервале 6,4 - 7,0 В - другой. В узком интервале напряжений V" Vп 0,2 В угол и0 описывается зависимостью 90 с V- Vn ).
Кэррол [70J , исходя из модели Хельфриха, получил для угла (У0 теоретическое выражение .2 или для малых значений Яблонский и Блинов 171] предложили зависимость ІУ0 со —j в приближении среднего поля. Тогда для скорости можно получить выражение Скорость электроконвективного течения измерялась по скорости перемещения частичек твердых примесей. Для постоянного поля в МББА было получено [72 J соотношение c/ b(V"\/n/ 5 хотя график зависимости, к сожалению, не приводится. Домены имели достаточно сложную форму продолговатых электроконвективных ячеек.
Нелинейное ЭГД-поведение было исследовано для переменного электрического поля в одномерном приближении 173J . На рис.10а показана зависимость скорости течения и от квадрата электрического поля для разных частот. Зависимость 1/ І t )практически линейная за исключением малого участка вблизи Ьп , где скорости резко уменьшаются до нуля. Зависимость угла и0 от квадрата поля при различных отношениях /уг показана на рис.106. Угол У0 резко возрастает вблизи порога, а затем довольно плавно изменяется до насыщения.
Экспериментальные методы исследования
Поверх пенала накладывается медная пластина-крышка, замыкающая тепловой поток по всей плоской камере. В пластине имеется отверстие, покрытое стеклом, для наблюдения за объектом в проходящем свете. Нижнее отверстие камеры закрывает полностью одна из стеклянных пластин электрооптической ячейки. Высота камеры позволяет помещать конструкцию на столик поляризационного микроскопа МИН-8 и проводить микрофотографирование без снятия верхнего стекла на крышке камеры. В случае необходимости провести съемку с большим увеличением на объектив микроскопа одеваются защитные муфты, выполненные из теплоизоляционного материала и подогнанные под отверстие крышки камеры. Температура в камере поддерживается с помощью автоматического электронного регулятора температуры (АЭРТ) с уходом регулируемого параметра не более + 0,05С. В качестве измерителя температуры применялись термопары (медь - константан, хромель - копель) с индикатором-потенциометром постоянного тока двухрядным полуавтоматическим устройством для автономной проверки Р363, а также терморезисторы с индикатором-вольтметром универсальным цифровым В7-1б(27). Все токопроводящие пути, включающие в себя подведение питания на электрооптическую ячейку (ЭО), нагреватель, канал подачи сигналов с АЭРТ, экранированы, и экран заземлен. Камера с ячейкой может отключаться от внешних цепей с помощью экранированного разъема.
Для исследования анизотропии свойств и электрооптических характеристик жидких кристаллов необходимо задавать определенную ориентацию их молекул на ограничивающих стенках ячейки. Ориентация молекул на поверхности характеризуется прежде всего средним углом наклона директора у к плоскости поверхности. Планарную ориентацию ({\s 0) получали механическим натиранием поверхности стекла бумагой или тканью (метод Шатлена). Гомео-тронная ориентация жидких кристаллов ( Т= - ) достигалась глубокой очисткой поверхности стекла.
Содержание задачи исследования электрических и оптических характеристик ЖК определило методы экспериментальной работы. Исследование дифракции света на системах доменов производилось на установке (рис. 19). ЭО ячейка 4 устанавливалась на оптической скамье I. Источником монохроматического света слу ч о жил гелий-неоновый лазер ЛГ-75 с \ = 6328 А. Линейно-поляризованный свет лазера 2 проходил через поляризатор Ml , пропускающий вертикальную компоненту ( V ). Далее свет проходил через ЭО ячейку 4, закрепленную на юстировочном столике 3. Рассеянный свет проходил через анализатор IVL , который устанавливался либо в вертикальном положении пропускания ( V ), либо в горизонтальном ( Н ). Дифракционная картина фиксируется или на экране с масштабной сеткой, или на фотопластинках 5.
В качестве источника синусоидальных электрических сигналов звуковых и ультразвуковых частот применен генератор ГЗ-33 ( UD IJQ = 0 200 В), а источником постоянного электрического напряжения - универсальный источник питания УИП-2. Индикатором - измерителем напряжения переменного тока служил вольтметр Ф584 с улучшенными характеристиками в диапазоне частот 10 ГЦ --10 МГц, постоянного тока - универсальный вольтметр В7-26.
Импульс напряжения подавался на Э0 ячеку от генератора парных импульсов Г5-26 (основные параметры обоих каналов таковы: длительность импульса изменяется от 0,1 мксек. до I сек., амплитуда импульса может регулироваться плавно от 0 вольт до 50 вольт). Приемником служил фотоумножитель ФЭУ-62, обладающий необходимой чувствительностью в красной области спектра. Изменения интенсивности регистрировались осциллографом CI-I5 или G8-2.
Измерение фокусных расстояний, масштабов электроконвективного течения, его скорости производилось установкой термокамеры на столик поляризационного микроскопа и непосредственно вращением микрометрического винта микроскопа и окуляр-микрометра. Наблюдение за движением частиц примесей, увлекаемых вихревым течением жидкости, давало возможность определять временные интервалы с помощью частотометра-хронометра Ф50-80, в течение которых частица двигалась по траектории вихря, и тем самым оценить скорость течения.
Для микрофотографирования была использована микрофотона садка МШ-І2. Съемки производились в параллельных и скрещенных поляроидах, а также с использованием кварцевых компенсаторов и фильтров с увеличением микроскопа до 300 раз.
Низкочастотный режим ЭГД«неустойчивости в ПАА
Имеются сведения [52, П2] об аномальном поведении ПАА и МББА при низких (20 500 Гц) и инфранизких (} 20Гц) частотах электрического поля. Например, в неориентированных слоях ПАА происходит модуляция проходящего света с частотой именно на низких частотах. Глубина модуляции при 20 Гц и ниже достигала 90%, а на более высоких частотах быстро уменьшалась [n2j Аномальные явления были обнаружены в МББА на частоте менее 10 Гц. Было отмечено, что пороговое напряжение быстро уменьшается с уменьшением частоты [54] ; предположено ] 61] , что как "у так и % зависят от времени.
Таким образом, некоторые факты свидетельствуют о нетривиальном характере ЭГД-неустойчивости на низких частотах в обычных планарных текстурах. Поэтому нами предпринято исследование характеристик низкочастотного режима в нематическом ПАА.
Образец был помещен в ячейку из двух стекол с электропроводящим покрытием . Стекла натирались для создания планарной текстуры, толщина регулировалась тефлоновыми прокладками.
В интервале частот от 200 -f 500 Гц до 2 3 кГц пороговое напряжение V практически не менялось с частотой У и толщиной ц (участок "плато"). Период доменов А был несколько меньше удвоенной толщины 2d . Например, для d =30 мкм 7 = I20C, Vn = 10 В, А = 50 мкм.
Уменьшение частоты ниже 200 Гц приводит к увеличению Л . Ниже 120 Гц период становится больше 2d и увеличивается далее (до 178 мкм при 20 Гц). Одновременно Vn уменьшается с 10 В (плато) до 2 В при 20 Гц. Таким образом, в низкочастотном режиме наблюдается аномально большой период доменов и аномально низкое пороговое напряжение.
Пороговые характеристики для образцов различной толщины (рис. 31) описываются зависимостью
При 120С коэффициент С - 0,023 В/мкм. Составляющая напряжения, зависящая только от частоты, может быть представлена прямыми в соответствующих координатных осях (рис. 32). Можно подобрать следующие эмпирические формулы: Аналогичным образом можно представить зависимости А для различных интервалов частоты (рис.33). Соответствующие эмпирические формулы имеют вид:
Визуальные наблюдения показали, что домены "двигаются" в направлении, перпендикулярном фокусным линиям. Поэтому период А определялся по дифракционной картине. В положении верхней фокусировки микроскопа фокусные линии имеют примерно одинаковую ширину. Свет, прошедший через домены, модулирован с частотой 2у . По мере увеличения частоты амплитуда пиков светорассеяния уменьшается, а на "плато" модуляция света исчезает. Амплитуды пиков рассеяния чередуются по величине. При увеличении напряжения выше порогового увеличивается общий уровень светорассеяния, а амплитуды модулированного светорассеяния уменьшаются. При напряжениях около 10 В во всем интересующем нас интервале частот модуляция света исчезает.
Полученные нами данные указывают на новый режим ЭГД-неус-тойчивости в низкочастотной области. Осцилляция кривизны делает его родственным "диэлектрическому" высокочастотному режиму. Зависимости типа V У и Л У (для двух частотных интервалов) сходны с частотными характеристиками "диэлектрического" режима. С другой стороны, пороговое напряжение не является прямопропорциональным толщине, а связано с ней более
Появление осциллирующего режима прямо связано с увеличением периода Л (или ширины вихревой трубки d = ). В облас-ти "плато" ширина (X всегда меньше qf . В то же время, увеличение частоты приводит к уменьшению ширины доменов Вильямса, но она всегда остается в пределах "fe . Вероятно, стационарное вихревое течение имеет квазицилиндрическую форму, т.е. размеры по осям X и Z должны быть примерно равными. Если а У d , то вихревая трубка теряет цилиндрическую форму. Практически это должно происходить уже при значениях О- , близких к d , так как скорость течения вблизи стенок не может быть максимальной.
В отличие от режима доменов Вильямса осциллирующий режим не связан жестко с толщиной образца. Известно [l5j , что ширина осциллирующих доменов не зависит от толщины и может быть много меньше о[ . Таким образом, осциллирующее течение может не иметь цилиндрической формы. Переход к осциллирующему течению в нашем случае действительно сопровождается превышением .Л над значением периода на "плато". С дальнейшим уменьшением у величина а становится больше
Пороговые характеристики ЭГД-неустойчивости в нематической фазе
Неустойчивость в переменном поле, возникающая в ЭААК, была рассмотрена J26J только для режима осциллирующей кривизны, который традиционно! [l5j назывался "диэлектрическим" режимом ЭГДН. Было показано [2б] , что зависимость Vn характерна как для гомеотропной текстуры ЭААК, так и для изотропных фаз ЭААК и МББА.
Исследования легированных образцов также показали зависимость типа , однако визуально наблюдались "цилиндрические" домены (на высоких частотах) и домены типа "отпечатков пальцев" (на низких частотах). Оптической картине предшествуют электроконвективные потоки жидкости с такой же корневой зависимостью п на высоких частотах. На низких частотах пороговая характеристика выходит на плато. Этот вид неустойчивости был объяснен "изотропным" механизмом, тождественным для нематической и изотропных фаз.
Можно сделать вывод, что движение частиц примесей и корневая зависимость Yn для высокотемпературного интервала свидетельствуют об изотропном механизме обнаруженной в ЭААК неустойчивости режима ОК, несмотря на особый характер картины ориентационной деформации.
Режим постоянной кривизны в гомеотропной текстуре ЭААК весьма сходен по своим пороговым характеристикам с режимом постоянной кривизны в нематическом п-азоксианизоле (рис.21).
Отсутствие модуляции света свидетельствует о стационарном электроконвективном течении. В условиях переменного синусоидального поля такой тип течения и деформации может возникнуть только при наличии осциллирующего объемного заряда. Таким образом, режимы ПК в нематическом п-азоксианизоле ( а 0) и в нематическом кристалле ЭААК ( 0) имеют, по нашему мнению, анизотропный механизм возникновения.
Тот факт, что режим ПК в ЭААК возникает только при темпе ратурах, близких к Г.. , легко объяснить влиянием смектичес ких сиботаксических групп на характер ЭГДН. Хорошо известно, что наличие сиботаксических групп смектики внутри нематической фазы влияет на знак анизотропии электропроводности . . В част ности, вблизи Тд. величина (5 обычно становится от рицательной. Тогда именно в гомеотропной текстуре реализуется аккумуляция заряда по механизму Карра-Хельфриха. Возможность та кого анизотропного механизма ЭГДН предполагалась в гомеотропных нематиках с эа 0 [49J .
Режим по форме пороговой кривой близкий к режиму ПК в ЭААК был получен Блиновым и др. J76J на смеси нематиков с положительной д_ И инверсией знака 6Q_ (рис. 13). Однако, ими был предложен изотропный механизм этого вида ЭГДН 77j .
Результаты обсуждения позволяют сделать вывод, что режим ПК в гомеотропной текстуре ЭААК соответствует по своим характеристикам и условиям возникновения анизотропному механизму ЭГДН Карра-Хельфриха.
В переменном электрическом поле неустойчивость в гомео-тропной текстуре 4-нитрофенилового эфира - 4-октилоксибензойной кислоты (ШОВ) имеет вид сетки многоугольников, светлых на темном фоне при скрещенных поляроидах. Пороговая кривая возникновения ориентационной деформации описывается известной зависимостью V (рис. 45а).
При дальнейшем возрастании электрического поля интенсивность течения возрастает, увеличивается скорость неупорядоченного движения частиц в плоскости Х() В образце ШОВ при достаточно большом напряжении V. V и п сетка многоугольников исчезает. Образец в скрещенных поляроидах погашен при вращении образца. При VM текстура возвращается к гомеотропному состоянию. Несмотря на это, движение частиц примесей продолжается с возрастающей интенсивностью. На рис. 45а показаны обе кривые: порог образования картины ориентационной деформации V- ( У ) и порог исчезновения ориентационной деформации V
Подобная ситуация вполне отвечает изотропному механизму ЭГД-неустойчивости. Действительно, возникновение и существование деформации ориентации с ненулевым углом с отклонения молекул от оси Z определяется условием равновесия моментов:
Если с ростом напряжения диэлектрический момент Wo L fi" становится много больше гидродинамического момента то градиентное течение уже не вызывает переориентации директора. Таким образом, большая величина диэлектрической анизотропии и, возможно более хорошая ориентация образца ШОБ, могут объяснить его необычное поведение, резко отличающееся от поведения ЭААК.
Пороговые характеристики возникновения Vn и исчезнове ния Vu оптической картины ориентационной деформации в ШОБ были получены для различных температур / внутри нематичес кой фазы (рис. 46а). Несмотря на довольно большой разброс,свя занный с неточностью визуального определения малой величины де формации, очевидно, что V у , где: до - 1/2, а VА-У , где: b I. С уменьшением температуры Yn и V увеличива ются, что, по-видимому, связано с увеличением вязкости.
Были определены конечные размеры отдельных многоугольников. Измеренные для одного из многоугольников в общей картине доменов, они закономерно изменяются с температурой и пороговым напряжением (рис. 456, 466).
