Содержание к диссертации
1. Введение , 4
Предмет диссертации и ее актуальность 4
Цель работы. 8
Научная новизна. 8
Практическая значимость 9
Публикации. 9
Апробация работы. 10
Защищаемые положения 11
Структура диссертации. 11
2. Глава I: линейные электрооптические эффекты в жидких
кристаллах с индуцированной и спонтанной поляризацией
(ОБЗОР)
Флексоэлектрический эффект. 13
Определение 13
Свойства 14
Квадрупольный эффект. 17
Флексоэффект по Мейеру 18
Наблюдение флексоэффекта 19
Обратный-флексоэффект в однородном поле. 20
Обратный флексоэффект в неоднородном поле 24
Фотофлексоэлектричество 26
Флексоэлектрически наведённые нестабильности 26
Флексоэлектричество в лиотропных фазах 28
Выводы 28
Электрооптические эффекты
в сегнетоэлектрическихЖК. ...30
Эффект Кларка-Лагерволла. 30г
DHF іффект 32
Электроклинный іффект 34
Выводы 36
Свободно подвешенные пленки. 37
Структура. 37
Приготовление. 39
Текстуры. 40
Поверхностное натяжение 42
Определение толщины; 43
Отличие от эластичной мембраны. 43
Другие физические параметры пленок 45
Двумерность, фазовое поведение. 46
Исследование колебаний смектических мембран; 48
Выводы 50
3. Глава II: экспериментальные методы, теоретическое
ОБОСНОВАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерение угла преднаклона 51
Обзор существующих методов 51
Основные принципы методики 56
Экспериментальная установка 59
Исследование свободно подвешенных ЖК-плёнок. 61
Основные принципы методики. 61-
Экспериментальная установка 62
Уравнение движения свободно подвешенной пленки 65
Выводы.. 71
4. Глава III: ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА ПРЕДНАКЛОНА с помощью
МОДУЛЯЦИОННОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ В УСЛОВИЯХ полного
ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Измерение угла преднаклона, 72
Исследование приповерхностных областей НЖК. 79
Приложение: управляемый ромб Френеля. 85
Подготовка поверхности (коронный разряд). .87
Выводы; 90
5. Глава IV: электромеханический эффект в свободно
ПОДВЕШЕННЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНКАХ
Описание эксперимента 91
Линейный электромеханический эффект 93
Исследование инверсии знака спонтанной поляризации..99
Исследование ленок на основе ахирального ЖК. 102
Определение физических параметров пленок.... 105
Приложения 107
Манометр. 108
Датчик Голея 110
Детектор паров 119
6. Основные результаты и выводы 125
/^. 7. Литература... 127
Введение к работе
Предмет диссертации и ее актуальность.
Предметом нашего рассмотрения; являются электрооптические эффекты в жидкокристаллических мезофазах, чувствительные к полярности электрического напряжения. Другими словами, мы исследуем, влияние внешнего - электрического поля на. различные оптические свойства жидких кристаллов (ЖК), обладающих спонтанной или индуцированной поляризацией.
Из одного только определения данного класса эффектов можно сделать вывод о том, что чувствительность к знаку электрического поля может обеспечить некоторые дополнительные возможности в управлении световым пучком по сравнению с широко применяемыми сейчас квадратичными эффектами, которые, очевидно, не чувствительны к полярности электрического напряжения.
Актуальность этого направления' продиктована следующими двумя обстоятельствами: с одной, стороны, это преимущества, жидкокристаллических материалов с индуцированной или спонтанной поляризацией перед их твердотельными аналогами (переключение может происходить в плоскости ЖК-ячейкн); а с другой - перспективность применения рассматриваемых нами эффектов в жидких кристаллах вместо квадратичных.
Говоря о чувствительных к полярности напряжения электрооптических эффектах, в первую очередь следует обратить внимание на тот класс жидких кристаллов, для которого они характерны в наиболее полном объеме. С момента открытия в 1970-х годах сегнетоэлектрических жидких кристаллов, были разработаны методы, позволяющие гарантировано синтезировать мезогенные соединения, обладающие сегнетоэлектричебскими фазами. Особый: интерес среди наклонных хиральных фаз представляют жидкостные фазы С*, оптические свойства которых чувствительны к полярности электрического поля. Они вызывают устойчивый интерес у исследователей также наличием у них двух устойчивых состояний поляризации, имеющих своим следствием оптическую бистабильность, перспективную в практическом смысле. Кроме того, в отличие от твердых сегнетоэлектриков, синтез жидкокристаллических сегнетоэлектриков в настоящее время стал достаточно прост и надежен. При этом важно лишь соблюсти определенные условия симметрии: наличие у вещества слоистой структуры, ненулевой угол наклона директора по отношению к нормали к слоям и хиральность молекул. Важно отметить, что в силу их жидкостных свойств эти вещества можно смешивать между собой. Получаемые смеси обладают новыми свойствами, которые, в принципе, могут быть и не присущи смешиваемым частям по отдельности, что делает возможности изменения их характеристик практически не ограниченными.
Как известно, в жидких кристаллах величины упругих констант несоизмеримо меньше, чем в твердых телах, что означает, соответственно, большие значения наблюдаемых эффектов. Однако, это очевидное преимущество жидких кристаллов в свою: очередь компенсируется тем, что для них характерны большие времена переключения образца* из одного состояния в другое. В этой связи использование смектических жидких кристаллов вместо нематических, широко применяемых в настоящее время в дисплейной промышленности, способно значительно улучшить ситуацию. Несмотря на то, что с этим: связан целый: ряд неразрешенных на сегодняшний день вопросов как научного, так и технологического характера, такая замена представляется довольно перспективной. Суть ее, вообще говоря, состоит в переходе к применению линейных элекрооптических эффектов; которые, по сравнению с квадратичными способны значительно быстрее «переключать» образец. Причина этого состоит в принципиальной разнице между соотношениями рабочих положений «включено» и «выключено» в линейной и квадратичной ячейках. В первом случае оба состояния являются возбужденными, но с разными знаками, т. е. переключение между ними в обоих направлениях характеризуется одним и тем же временем т0. В случае же квадратичного эффекта такой симметрии не существует, так как «выключение», по сути, представляет собой релаксацию в исходное невозбужденное состояние. Характерная продолжительность: этого процесса определяется внутренними свойствами образца и, как правило, существенно превышает т№
Как уже отмечалось выше, абсолютное большинство жидкокристаллических материалов, применяемых на сегодняшний день в промышленности, принадлежит к классу нематических жидких кристаллов (НЖК). Известно, что нематическая мезофаза, представляющая собой Зх-мерную жидкость, является центрально-симметричной. Однако, несмотря на это, для нее характерно чрезвычайно интересное и практически важное свойство - флексоэлектричество, являющееся классическим примером чувствительного к знаку поля эффекта. Можно сказать, что^ флексоэффект в определенном смысле.аналогичен:пьезоэффекту в твердых телах, однако носит более общий характер: он свойственен:практическилюбой фазе, не налагая; в: отличие от: пьезоэффекта, требования: отсутствия центра симметрии в среде. При' этом макроскопическая: природа флексоэлектрической ї поляризации; индуцируемой* в центрально-симметричной7 среде деформацией: продольного или-поперечного изгиба; состоит в асимметрии формы молекул жидкого кристалла, или в неоднородности распределения молекулярных квадруполей.
Этот эффект представляется: весьма удобным, для: точного измерения г И управления одним из наиболее важных характеристик НЖК - т. н. углом подвеса или преднаклона. Этот параметр; во; многом- определяет оптические: свойства: жидкокристаллического материала- и, соответственно;, созданного на его основе^ дисплея,. такие как угол обзора, время переключения,* крутизну, вольт-контрастной: характеристики. Кроме того, формирование некоторого'отличного от нуля угла преднаклона.; в> твистованой: нематическош ячейке: позволяет избежать нежелательных эффектов рассеяния: света, исключая образование доменной структуры при релаксации вещества из возбужденного состояния в невозбужденное. Путем- создания1 определенного угла- преднаклона возможно также получить-однородную деформацию молекул:безобразования,т.н. "инверсных стенок" и тем самым значительно улучшить оптические свойства ЖК-ячейки.
Разработка способов получения: заданного значения угла- преднаклона и высокоточных методов его - измерения ї необходима не только. для. практических целей (например, для оптимизации характеристик дисплеев), но и для изучения роли^ различных взаимодействий в ориентации молекул жидкого кристалла.
Особую' важность представляет задача контроля, утла? преднаклона-; в приповерхностных слоях ЖК, что необходимо- для: дальнейшего; усовершенствования устройств на мономолекулярных слоях. По * ориентации ЖК- слоев можною получать важную - информацию; о свойствах поверхности, служащей подложкой. В* частности, с помощью ЖК удается визуализировать домены в- сегнетоэлектрических кристаллах,, определять дефекты в' устройствах; микроэлектроники, параметры шероховатости поверхности и т. д.
Ещё одним; примером «знакочувствительного» электрооптического эффекта, который исследовался: нами и представлен в. этой? работе, является; обратный1 пьезоэффект в свооодно подвешенных плёнках. Напомним, что ооратным пьезоэффектом называется деформация материала под действием электрического поля. Здесь следует подчеркнуть важный терминологический момент: пьезоэффект в данном случае выступает не только как электромеханический, но и как электрооптический эффект, т. к. под действием электрического поля меняется форма поверхности плёнки, а соответственно и-её оптический отклик. Хорошо известна профессиональная проекционная система, получившая название «Эйдофор», где за основу принят подобный электрооптический эффект: в тонкой масляной плёнке под действием электрического поля: создаются деформированные участки, играющие роль преломляющих элементов, рассеивающих свет.
Свободно подвешенные жидкокристаллические плёнки представляют собой чрезвычайно интересный объект исследования. Вот лишь некоторые из числам их специфических черт, определяющих интерес специалистов к этим системам:
Отсутствие границ с твердой подложкой, которые обычно являются основным источником дефектов, позволяющее считать свободно подвешенные плёнки практически бездефектным материалом.
Двухмерность тонких плёнок и возможность изучения перехода к трехмерности за счет увеличения толщины, что можно делать с шагом вплоть до одного смектического слоя.
Повышенная чувствительность к влиянию полей (механических, электрических, тепловых), дающая возможность точного определения различных физических параметров плёнки, а так же вещества, из которого она состоит, и окружающего её газа.
В отличие от флексоэффекта, при наблюдении обратного пьезоэффекта мы не регистрировали непосредственно изменение оптических характеристик образца, как это делают, например, при получении т. н. «электроотражения» жидкокристаллической плёнки, измеряя анизотропию показателя преломления. В нашем же случае эффект состоял в изменении формы плёнки, что приводило к отклонению отраженного от неё светового пучка. Следует отметить следующие преимущества такого рода наблюдений перед техникой электроотражения: а) возможность непосредственно управлять световым пучком (что уже использовалось на практике при создании т. н. пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) с рельефной записью изображения. б) существенно большая «глубина модуляции» сигнала, облегчающая регистрацию и наблюдение эффектов. в) уникальные возможности для изучения резонансных свойств плёнки (а также параметров окружающего её газа), т. к. снятие частотной характеристики: неоптическими методами представляется весьма затруднительным.
Цель работы
Целью работы является разработка новых эффективных и удобных, на-практике экспериментальных методов измерения параметров жидких кристаллов на основе присущих им эффектов, чувствительных к полярности электрического напряжения. Вторая1 цель - исследование с помощью этих методов как хиральных, так и ахиральных жидких кристаллов. Третья - поиск возможностей применения данного класса эффектов, как в сфере оптической обработки1 информации, так ив «не дисплейных» приложениях.
Научная новизна
Разработан новый метод измерения, угла преднаклона на границе раздела нематический жидкий кристалл твердая подложка. Метод основан на использовании обратного флексоэлектрического эффекта в модуляционной эллипсометрии полного внутреннего отражения.
Предложен метод получения однородно ориентированных образцов ЖК с большим углом преднаклона в приповерхностной области.
Предложен: новый метод измерения параметров свободно подвешенных сегнетоэлектрических плёнок. С помощью электромеханического эффекта измерены поверхностная вязкость свободно подвешенной сегнетоэлектрической пленки, её поверхностная плотность и определена температура инверсии знака спонтанной поляризации.
Обнаружено, что спектр механических низкочастотных колебаний свободно подвешенной жидкокристаллической сегнетоэлектрической плёнки в условиях форвакуума существенно отличается от спектра Рэлеевской мембраны такой же толщины и упругости.
Экспериментально показано, что спектр колебания тонкой свободно подвешенной плёнки на основе сегнетоэлектрического жидкого кристалла чувствителен к присутствию паров легколетучих соединений.
Представлены способы практического применения смектической мембраны в качестве чувствительного элемента различных измерительных приборов (детектора видимого и ИК излучения, датчика атмосферного давления, детектора паров).
Практическая значимость
Практическая значимость данной работы заключается в том, что для решения поставленных задач автором были разработаны оригинальные методы, позволяющие измерять ряд важных для приложений параметров нематических жидких кристаллов. В их числе: угол наклона директора жидкого кристалла во на границе с подложкой, поверхностное натяжение а, толщина Л и поверхностная вязкость rjs (для свободно подвешенных сегнетоэлектрических плёнок). Экспериментально было показано, что тонкие мембраны на основе сегнетоэлектрических жидких кристаллов могут быть использованы в качестве датчиков атмосферного давления, сенсоров легколетучих органических соединений и чувствительных элементов в ячейках Голея.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Яблонский СВ., Блинов Л.М., Михайлов А.С, Палто СП., Дюран Г. Точный метод- определениям- угла- преднаклона в тонких пленках нематических жидких кристаллов // Письма вЖЭТФ, 1998, 67, 387 Yablonskii S.V., Nakayama К., Hirohata М., Okazaki S., Ozaki М., Yoshino К., Palto S.P., Baranovich MYu,, Michailov A.S. Control of the bias tilt angles in nematic liquid crystals It J.AppI: Phys., 1999, 85, 2556
СВ. Яблонский, AX. Михайлов, СГ. Юдин, СВ. Яковлев Ориентация нематического жидкого кристалла коронированными сегнетоэлектрическими полимерными пленками // Поверхность, 1999, 10, 62
СВ. Яблонский, А.С. Михайлов, К. Накано, М. Озаки, К. Иошино Линейный электромеханический эффект в жидкокристаллических сегнетоэлектрических свободно подвешенных плёнках I! ЖЭТФ, 2001, 120, 109 Serguei V. Yablonskii, Kazuyuki Nakano, Aleksey S. Mikhailov, Masanon Ozaki and Katsumi Yoshino Electromechanical effect in freely suspended liquid crystal films II Appl. Phys. Lett, 1999, 75, 64 S. V. Yablonskii, K. Nakano, A. S. Mikhailov, M. Ozaki, K. Yoshino Pressure sensor based on freely suspended ferroelectric liquid crystal film; II Appl. Phys. Lett., 2002, 80,571 Aleksey S. Mikhailov, Serguei V. Yablonskii, Kazuyuki Nakano, Masanori Ozaki, Katsumi Yoshino, Frequency Shifts of Mechanical Vibration Spectra Induced by Vapors of г Volatile: Substances in- Freely Suspended Ferroelectric Liquid Crystal: Films, 6th European Conference on Liquid Crystals March, 25-30, 2001 Halle (Saale), Germany. S;V. Yablonskii, T. Oue, H. Nakano, A.S. Mikhailov, M. Ozaki, and K. Yoshino Electromechanical effect in ferroelectric liquid crystal freely suspended films, International isimposium on LC, Kunibeke Messe, Matsue (Japan), October 25, 2000, pp.9-10. Serguei V, Yablonskii, Kazuyuki Nakano, Aleksey S. Mikhailov, Masanori Ozaki and Katsumi Yoshino Thermal photodetector using freely suspended liquid crystal film If Jpn. J. Appl Phys., 2003, 42, 198 M. Paukshto, G Fuller, A. Mikhailov, S. Remizov Optics of sheared liquid crystal polarizer based on aqueous dispersion of dichroic dye nano-agregaters II Special edition of the JS1D on nano-science and technology in display applications, April 2005
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
Исследование электромеханического эффекта в свободно подвешенных жидкокристаллических плёнках. С.В; Яблонский, А.С. Михайлов, К. Йошино, «Московский семинар по жидким кристаллам» 16 мая 2000 г. ИКР АН Frequency Shifts of Mechanical Vibration Spectra Induced by Vapors of Volatile Substances in Freely Suspended Ferroelectric Liquid Crystal Films. Aleksey S. Mikhailov, Serguei V. Yablonskii 1, Kazuyuki Nakano, Masanori Ozaki, Katsumi Yoshino, 6th European Conference on Liquid Crystals March, 25-30, 2001 Halle (Saale), Germany.
Линейный электромеханический эффект в жидкокристаллических сегнетоэлектрических свободно подвешенных плёнках. А.С, Михайлов, СВ. Яблонский. Конкурс работ молодежной секции ИКР АН, 2003 (1ая премия). S.V. Yablonskii, Т. Oue, Н. Nakano, A.S. Mikhailov, М. Ozaki, and К. Yoshino Electromechanical effect in ferroelectric liquid crystal freely suspended films, -jf International simposium on LC, Kunibeke Messe, Matsue (Japan), October 25,
2000, pp. 9-10
Автор защищает
Линейный электромеханический эффект в свободно подвешенной плёнке из ахирального смектического жидкого кристалла.
Экспериментальное наблюдение эффекта влияния атмосферного давления на низкочастотный акустический спектр жидкокристаллической мембраны.
Новые методы измерении параметров жидких кристаллов: угла преднаклона и величины его модуляции, а также двумерной плотности, поверхностной вязкости и толщины слоя - в геометрии свободно подвешенных пленок.
Способ управления с помощью электрического поля осью легкого ориентирования жидкого кристалла.
5: Датчик Голея (детектор ИК и видимого излучения) на основе свободно подвешенных ЖК плёнок.
Структура диссертации W) Диссертация включает в себя четыре главы. В первой главе приводится обзор существующей на сегодняшний день литературы, посвященной электрооптическим эффектам, чувствительным к знаку электрического поля, в жидких кристаллах. Основное внимание уделено обратному пьезоэффекту и флексоэлектрическому эффекту. Вторая глава посвящена теоретическому рассмотрению исследуемых нами явлений:
Флексоэффект в нематических жидких кристаллах.
Обратный пьезоэффект в. свободно подвешенных тонких смектических плёнках.
Исходя из этого, в главе обоснованы разработанные нами экспериментальные методы, основанные на данных эффектах, и описаны соответствующие им экспериментальные установки. В первой части, посвященной флексоэффекту в нематиках и основанному на нем методе измерения угла преднаклона, приводится также сравнительный обзор: существующих методов оценки этого параметра. Во' второй: части, посвященной свободно = подвешенным плёнкам, приводится вывод уравнения движения смектической мембраны с учетом диссипации.
В последующих, главах подробно описываются проведенные: нами, исследования, анализируются полученные результаты и рассматриваются возможности их практических приложений. Глава 3 посвящена применению метода модуляционной эллипсометрии в условиях полного внутреннего отражения для исследования нематических жидких кристаллов. Подтверждается применимость метода, определяется угол преднаклона, и величина, его модуляции: в приповерхностном слое для различных типов, ориентации. Полученные нами значения1 сравниваются с результатами применения другой, известной ранее методики. Описаны результаты предложенной нами предобработки подложки, приводящие к «эффекту командной поверхности». В качестве возможного! практического применения предложенной методики рассмотрен т. н. «управляемый ромб Френеля».
В главе 4 приводятся результаты исследования электромеханического эффекта в свободно подвешенных жидкокристаллических плёнках. Сообщается об обнаружении линейного - эффекта для ахирального смектика в данной геометрии. Рассматривается влияние тензора присоединенных масс на динамику ЖК мембраны. Для материала с инверсией знака спонтанной поляризации приводятся прямые наблюдения этого эффекта и определение точки инверсии с помощью нашей методики. Исходя из частотных спектров электроолтического отклика, производится оценка некоторых важных физических параметров ЖК пленки. На основании выявленных и изученных свойств свободно подвешенных смектических мембран предлагается несколько вариантов их практического применения.
Похожие диссертации на Электрооптические эффекты в жидкокристаллических средах с индуцированной и спонтанной поляризацией
