Содержание к диссертации
Введение
1 Физические свойства и применение пористых материалов, заполненных жидкими кристаллами 10
1.1 Типы пористых структур 11
1.2 Виды ориентационных структур жидких кристаллов в порах и методы их исследования 18
1.3 Физические свойства НЖК, заполненного в поры плёнки 24
1.4 Влияние электрического поля на ориентацию НЖК в цилиндрических порах 29
1.5 Методы управления оптическими свойствами пористых структур, заполненных НЖК 32
1.6 Применение композиционных пористых материалов на основе ЖК39
1.7 Постановка задачи и выбор объектов исследования 43
2 Структура и физические свойства пористых ПЭТФ плёнок 46
2.1 Исследование основных параметров пористых ПЭТФ плёнок 46
2.2 Оптические свойства ПЭТФ плёнок 57
Выводы по разделу 2 65
3 Электрооптические и термооптические свойства пористых ПЭТФ плёнок, заполненных НЖК 67
3.1 Типы ячеек и их свойства 67
3.2 Спектральные характеристики пористых ПЭТФ плёнок, заполненных нематическим жидким кристаллом 75
3.3 Методы управления коэффициентом пропускания композиционной среды 79
3.4 Электрооптический отклик и времена релаксации НЖК в порах 82
3.5 Термооптический отклик и времена релаксации НЖК в порах 89
Выводы по разделу 3 98
4 Диэлектрические исследования фазового перехода N-I и ориентационной структуры ЖК в пористой ПЭТФ пленке 100
4.1 Исследования фазового перехода НЖК — изотропная жидкость в пористой ПЭТФ пленке 102
4.2 Определение ориентационной структуры НЖК, заполненного в поры ПЭТФ плёнки 109
Выводы по разделу 4 119
Заключение 120
Список литературы 121
Приложение А. Параметры измерительных приборов и ЖК
- Физические свойства НЖК, заполненного в поры плёнки
- Оптические свойства ПЭТФ плёнок
- Спектральные характеристики пористых ПЭТФ плёнок, заполненных нематическим жидким кристаллом
- Определение ориентационной структуры НЖК, заполненного в поры ПЭТФ плёнки
Введение к работе
Актуальность
В последнее время связно-дисперсные системы, состоящие из пористого материала (дырчатые волноводы, фотонные кристаллы, пористые плёнки и другие - твёрдая фаза) и жидкого кристалла {дисперсная фаза), также называемые композиционными материалами, привлекают большое внимание исследователей. Это связано с существенными отличиями физических свойств жидких кристаллов (ЖК) в ограниченных средах от их свойств в объёмных образцах.
К настоящему времени были установлены изменения температур фазовых переходов, критических показателей теплоёмкости, спектров диэлектрической релаксации в пористых плёнках, стёкол в зависимости от начальной ориентации молекул нематического ЖК внутри пор. С феноменологической точки зрения ряд из указанных выше физических эффектов может быть объяснён с учётом тензорного характера параметра порядка нематической фазы. Экспериментальная проверка выводов теории требует точного расчёта зависимости тензора параметра порядка от пространственных координат, что может быть сделано для неоднородностей правильной формы (сфера, эллипс и цилиндр). В связи с этим особый интерес представляют пористые плёнки с заданными размерами и ориентацией цилиндрических пор. К таким системам относятся пористые полимерные плёнки, которые являются объектом исследования данной работы. Хорошо известно, что поверхностное взаимодействие ЖК с полимерной матрицей имеет сложную физическую природу и отличается от взаимодействия ЖК - твёрдое кристаллическое тело. Следовательно, эти результаты, полученные для хорошо исследованных пористых плёнок, не могут быть перенесены на случай полимерный плёнки. В частности, в последнем случае можно ожидать меньших значений энергий сцепления на границе раздела ЖК - полимер. Исследование фазовых состояний и физических свойств ЖК в порах пористых плёнках в условиях слабого сцепления является актуальной задачей физики ЖК, не решённой в полном объёме к настоящему времени. Известно, что в зависимости от силы поверхностного сцепления и радиуса поры возможна реализация различных ориентационных структур ЖК в поре, что приводит к различиям в фазовых диаграммах и физических свойствах пространственно ограниченной системы. Таким образом, задача идентификация типа ориентационной структуры ЖК в поре, решаемая в данной работе, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
С точки зрения практических применений пористой плёнки с правильным пространственным расположением пор и заданных их размеров также представляют несомненный интерес, т.к. в этом случае реализуется более высокая эффективность управления оптическими свойствами композиционных сред, с помощью электрических и тепловых полей. Кроме того существования в данном материале сильных пространственных ограничений способно повысить
быстродействие технических устройств, применяемых в дисплейных и оптоволоконных технологиях. С теоретической точки зрения задача о распространении света в пористых плёнках с размерами пор, сравнимыми с длинной волны является очень сложной и рассмотрена лишь для частных случаев изолированных пор в изотропной матрице. В этой связи особое значение приобретают экспериментальные данные по оптическим, электрооптическим и термооптическим эффектам образцов пористых плёнок, заполненных ЖК. В частности, для достижения максимального оптического эффекта необходимо применение плёнок с высокой степенью пористости, где нарушается приближение изолированных пор. Кроме того необходимо учитывать собственную оптическую анизотропию полиэтилентерефталатных (ПЭТФ) плёнок, исследованных в данной работе. До настоящего времени данные аспекты не рассматривались с теоретической точки зрения.
Цель работы и задачи исследований
Цель работы - экспериментальное исследование структуры, оптических и диэлектрических свойств композиционной среды - пористая полиэтилентерефталатная (ПЭТФ) плёнка, заполненная нематическим жидким кристаллом,
Объектом исследования в диссертационной работе являются пористые полимерные (ПЭТФ) плёнки с различными радиусами пор хаотически распределённых по её поверхности и ориентированных перпендикулярно к данной поверхности.
Предметом исследования являются оптические, диэлектрические и структурные свойства пористых ПЭТФ плёнок, заполненных ЖК.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
Исследование физических свойств и структуры пористой ПЭТФ плёнки без ЖК;
Разработка и изготовление экспериментальной ячейки нового типа, позволяющей исключить влияние паразитных слоев ЖК при исследованиях физических свойств композиционной среды (КС);
Экспериментальные исследования влияния различных типов внешних воздействий на оптические свойства образцов КС (пористая плёнка, заполненная ЖК);
Определение времён отклика ЖК, находящегося внутри пор пористой плёнки на воздействия электрических и тепловых полей;
Разработка метода определения ориентационных структуры ЖК в поре на основе диэлектрических измерений;
Экспериментальное определение сдвига температуры фазового перехода ЖК, ограниченного порами пористой ПЭТФ плёнки, в зависимости от их радиуса;
Разработка физических моделей, объясняющих полученные экспериментальные результаты;
Научная новизна исследований
Обнаружен и исследован эффект воздействия световым излучением на коэффициент оптического пропускания пористой ПЭТФ плёнки, предварительно обработанной азо красителем. Показано, что данный эффект объясняется поглощением света молекулами азо-красителя и, как следствие, нагревом ЖК в порах пористой ПЭТФ плёнки;
Экспериментально установлена и объяснена зависимость от радиуса пор времен оптического отклика ЖК в порах ПЭТФ плёнки на воздействие переменного электрического поля;
На основе диэлектрических измерений определён тип ориентационной структуры ЖК внутри пор. Установлено, что формируемая ориентационная структура, характеризуется выходом директора из плоскости, нормальной к оси поры (ER конфигурация);
Экспериментально определена зависимость температуры фазового перехода нематик - изотропная жидкость от радиуса пор; Показано, что данная зависимость соответствует выводам феноменологической теории в приближении Ландау - де Жена;
Практическая ценность
Предложен и экспериментально апробирован метод управления коэффициентом пропускания композиционной среды, с помощью нагрева светом, за счёт поглощения энергии света молекулами азо-красителя;
Экспериментально получена зависимость времён отклика ЖК в порах на воздействие переменного электрического поля от величины среднего радиуса пор. Установленное повышенное быстродействие электрооптического отклика ЖК в порах по сравнению с быстродействием традиционных слоистых ЖК образцов открывает новые перспективы использования данных сред в дисплейных и оптоволоконных технологиях;
Предложен и апробирован метод определения типа ориентационной структуры ЖК в порах пористых плёнок, основанный на диэлектрических измерениях;
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
Механизмы воздействия электрического и теплового полей на коэффициент пропускания пористой ПЭТФ плёнки, заполненной ЖК;
Результаты диэлектрических измерений и их анализ, позволяющий определять ориентационную структуру ЖК внутри пор пористой ПЭТФ плёнки;
3. Экспериментально определённую зависимость сдвига температуры фазового перехода ЖК, заполненного в поры ПЭТФ плёнки от среднего радиуса поры;
Апробация работы
Основные результаты работы отражены в 12 научных публикациях и докладывались на: 2ой международной школе по жидким кристаллам для фотоники 2008 (Англия, Кембридж); VII Международной научной конференции по лиотропным жидким кристаллам и наноматериалам, 2009г (Иваново, Россия); Научная конференция молодых оптиков 2009 (Москва, Россия); ICAIT-2010; 23ей международной конференции по жидким кристаллам 2010 (Польша, Краков); 18ом международном симпозиуме по передовым дисплейным технологиям 2010, (Россия, Санкт - Петербург); Третьей Всероссийской школе — семинар студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноинженерия» 2010 (Россия, Калуга), Европейской жидкокристаллической конференции 2011 (Словения, Марибор).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 3 приложений. Объем диссертационной работы составляет 128 страницу машинописного текста и включает 52 иллюстраций, 9 таблиц, список литературы из 98 наименований.
Физические свойства НЖК, заполненного в поры плёнки
Измерения теплоёмкости или рассеяния света пористой среды, заполненной НЖК, показывают, что температура фазового перехода нематик – изотропная жидкость (N – I) T c , ограниченного в порах плёнки, сдвигается в меньшую сторону по сравнению с температурой просветления в объемных образцах [22]. В работе [20] для пористых стёкол, содержащих хаотически ориентированные и пересекающиеся поры заданного радиуса, была обнаружена трансформация типа фазового перехода от первого рода ко второму, в то время как в анодированных плёнках наблюдался фазовый переход первого рода [21]. Влияние сильных пространственных ограничений приводит, как правило, к уменьшению температуры фазового перехода. С другой стороны, результатом случайного распределения поля директора является подавление признаков перехода первого рода. Два этих аспекта были исследованы в работах [20][21][51]. В работе [52] были проведены измерения сдвига температуры фазового перехода в зависимости от локальной толщины слоя ЖК в клиновидной ячейке (с зазором в диапазоне от 0,1 до 10 мкм). Сдвиг температуры фазового перехода T NI определялся с помощью измерения величины интенсивности прошедшего через ячейку лазерного излучения при охлаждении образца. В качестве НЖК был использован 8CB измерения были выполнены для двух типов граничных ориентаций. На рисунке 1.3.1 показан результат измерения смещения температуры фазового перехода N – I как функции локальной толщины слоя T NI [52]. После проведённых исследований в работе [53] можно ожидать, два толщинных режима для капиллярной конденсации в ограниченной плоской геометрии с различными ориентациями ЖК на поверхностях стёкол. Переход между этими двумя режимами происходит при определённой толщине слоя d c . При толщине слоя большей dc фазовый переход происходит при температуре ТШ+АТ где L - скрытая теплота при I-N переходе, а индексы 1 и 2 указывают, на две разделённые границы. При ddc, вклад в изменение ориентации директора достаточно высока, чем изменение граничных условий с малой энергией сцепления W. Имеется ввиду, что для И\ зс W2 s (yjj должна измениться на (у#)і+ wi . В случае, когда d dc K/W ожидается: В работе [52] было отмечено, что d c равна экстраполяционной длине L1 . Переход между двумя режимами может быть постепенным или скачкообразным в форме фазового перехода [53]. Сдвиг температуры фазового перехода для ячеек, толщина которых была больше 0,4 мкм, не наблюдался. Экспериментально определённый сдвиг температуры фазового перехода качественно и численно согласуется с теорией, разработанной в работах [52][53].
С помощью измерения теплоёмкости пористого материала, заполненного НЖК, было установлено, что температура фазового перехода зависит от структурной ориентации молекул НЖК внутри пор. На рисунке 1.3.2 показаны зависимости теплоёмкости от температуры и типа ориентационной структуры НЖК, ограниченного цилиндрической порой радиуса r .
Достаточно интересным с практической и теоретической точек зрения представляются оптические свойства пористых структур, заполненных НЖК. В основном, численные расчёты, распространения светового излучения в пористых структурах сделаны для сред с периодическим расположением пор или столбцов. При радиусах пор много меньших длины волны ( r ) влияние ЖК сводится к изменению эффективного показателя преломления среды. И поэтому цилиндрические поры как отдельные элементы не рассматриваются. В случае когда длина волны сравнима с диаметром поры, т. е. r , то рассматривают задачи о волноводном распространении электромагнитного (ЭМ) излучения на основе решения уравнений Максвелла.
В работах [54][55] рассмотрено распространение света в цилиндрическом ЖК волноводе, находящемся в изотропной оболочке. В рассмотренной модели предположили, что директор ЖК перпендикулярен на границе цилиндра, а в центре параллелен оси (ER – конфигурация), т. к. это энергетически выгодно для капилляров радиуса меньше 0,5 мкм [24]. Диэлектрические свойства ядра описываются зависящим от пространственных координат тензором диэлектрической проницаемости
При /«А. используют приближение эффективного показателя преломления НЖК, находящегося в поре, для которого справедливо следующее выражение [14]: где О. - угол между директором ЖК и осью поры, е и о -компоненты диэлектрической проницаемости НЖК в оптическом диапазоне, R - радиус поры. Отметим, широкое применение численных методов (метод конечных разностей, метод конечных элементов) для анализа оптических характеристик пористых структур, имеющих перспективы практического применения в устройствах оптоволоконной техники [56] [57].
Оптические свойства ПЭТФ плёнок
Основными параметрами пористых плёнок являются средний радиус пор, пористость (отношение суммарной площади пор в поперечном срезе цилиндра к площади плёнки – в случае перпендикулярной ориентации пор к поверхности плёнки), ориентация пор относительно поверхности плёнки и их форма. Определение параметров пористых ПЭТФ плёнок необходимо для оценки влияния НЖК, заполненного в поры плёнки, на оптические и диэлектрические свойства композиционной среды. Основными методами применяемыми для определения характеристик пористых плёнок является микроскопия, к примеру электронный сканирующий микроскоп (SEM), атомно силовой микроскоп (AFM), оптический микроскоп и др. Полученные фотографии пористых плёнок, позволили охарактеризовать объект исследования – пористую ПЭТФ плёнку, с точки зрения структурных характеристик. В данной диссертационной работе были исследованы пористые ПЭТФ плёнки со случайным пространственным распределением пор по поверхности, а их ориентация была нормальна к поверхности плёнки.
При изготовлении пористых ПЭТФ плёнок, методом бомбардирования тяжёлыми ионами [1][12], применяют эмпирические формулы, которые позволяют приблизительно рассчитать средний радиус и плотность пор и соответственно пористость. Однако, увеличение пористости плёнки ведёт к нарушению формы пор, как показано на рисунке 2.1.1 (а). В связи с этим, величина среднего радиуса и плотность пор может значительно отличаться от заявленного производителем. Таким образом, необходимо экспериментальное определение величин среднего радиуса пор, распределения пор по радиусам и пористость пленки. Решение указанных задач в данной работе проводилось путем обработки микрофотографий пористых ПЭТФ плёнок, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6010LA. На рисунке 2.1.1 (а, б) показаны характерные структуры пористых ПЭТФ плёнок, с высокой (больше 10%) и низкой (от 3 до 8%) пористостью соответственно. Пространственное распределение пор в таких плёнках носит случайный характер, а вид этого распределения зависит от технологии изготовления. Как видно из приведенных фотографий пористых ПЭТФ плёнок, при пористости порядка 5% - 10%, имеют место участки с сильным перекрытием пор, что приводит к искажению кругового поперечного сечения поры, характерного для пленок малой пористости. В первом приближении для участков с перекрытием пор можно говорить об эллиптической форме поперечного сечения поры. Очевидно, что изменение формы поры может приводить к отличиям ориентационной структуры ЖК от идеализированной структуры, формируемой в цилиндрической поре.
Заявленные производителем параметры пористых ПЭТФ плёнок, используемых в экспериментах, а также их пористость F, рассчитанная по формуле (2.1.1) показаны в таблице 2.1.1. цилиндрической формы и их ориентация к поверхности плёнки перпендикулярной, что выполняется для выбранных объектов исследования. В случае другой формы или ориентации пор пористость вычисляется как отношение суммарного объёма пор к объёму материала [72].
Для обработки полученных изображений пористых ПЭТФ плёнок и определения основных структурных характеристик экспериментальным путём была разработана специализированная программа. Принцип которой основан на сравнении цветов пикселей изображения с заданным диапазоном значений цветов. В цветовом режиме «градации серого» фотографии каждому её пикселю соответствует буквенно-цифровой код, который может интерпретироваться как значение интенсивности. Как видно из фотографий плёнок, цвета пор находились в диапазоне от чёрного до темно-серого, что соответствует цифровым кодам 0х000000 и 0х650000 соответственно. На основании логического сравнения и установленного порогового диапазона значений цветов идентифицируются поры на поверхности пористой ПЭТФ плёнки. Для упрощения алгоритма программы определения радиуса пор сделано допущение, что все поры в сечении имеют круговую форму. Программа вычисляет площадь поры Spores и определяет её радиус из соотношения rpo= SporJn в пикселях. Для перевода значения радиуса из относительных величин в систему СИ используется масштабирующая линейка, которая накладывается на фотографию плёнки при получении изображения с помощью SEM микроскопа. Размер этой линейки в пикселях определяется вручную с помощью графического редактора типа GIMP или Adobe Photoshop любых версий. По количеству пикселей в фотографии определяется суммарная площадь образца пористой плёнки, а для перевода этой величины в систему СИ, предполагается, что образец имеет равные стороны, следовательно ширина и высота плёнки вычисляются по формуле a= (Sfilms) .
Спектральные характеристики пористых ПЭТФ плёнок, заполненных нематическим жидким кристаллом
В настоящее время широко применяют два метода управления коэффициентом пропускания пористых плёнок, заполненных НЖК. Первый реализуется с помощью воздействия электрического поля на ориентационную структуру ЖК, второй - с помощью изменения степени упорядоченности и оптических характеристик ЖК среды за счет использования тепловых полей. Эти два метода управления обладают как достоинствами так и недостатками. В первом случае, для достижения максимального эффекта изменения коэффициента пропускания пористой плёнки, заполненной НЖК, необходимо создавать заданную начальную ориентацию НЖК в поре, к примеру, планарно — полярную (ПП) или планарно — радиальную (ПР) для НЖК с 0 (или аксиальную ориентацию молекул НЖК с 0). Приложение переменного электрического поля к пористой плёнке, заполненной НЖК, вызывает изменение ориентационной структуры ЖК и, тем самым, эффективной величины двулучепреломления А п. Глубина модуляции зависит от начальной ориентации НЖК относительно стенок пор, и разницы между показателями преломления пористого материала и НЖК. Несомненным преимуществом данного способа управления оптическими свойствами является высокое быстродействие, обусловленное влиянием пространственных ограничений на вязко-упругие свойства НЖК. Однако, при уменьшении радиуса поры существенно возрастают управляющие напряжения, необходимые для заметной переориентации ЖК в порах [61] на угол 9 . В ранее проведённых исследованиях [61][85] было показано, что для переориентации ЖК, находящегося внутри пор дырчатых волноводов, величина электрического напряжения, прикладываемого к волноводу, может достигать порядка 1000В, что мало приемлемо с точки зрения создания конкретных устройств оптоволоконной техники. Также в некоторых случаях, например в интерферометрах, использование прозрачных электродов нецелесообразно, так как система электродов будет вносить дополнительный вклад и влиять на добротность интерферометра [86]. В связи с этим актуальной задачей является поиск альтернативных способов управления.
Наиболее часто применимым является способ управления коэффициентом пропускания с помощью тепловых полей. Преимуществом данного способа является простота и эффективность управления, а также меньшие требования к начальной ориентации НЖК в порах, которую в некоторых случаях достаточно сложно реализовать. Недостатком метода является довольно большая инерционность, что ограничивает практические применения такого метода. Тем не менее, в ряде устройств оптоволоконной техники, к примеру оптические фильтры, аттенюаторы, переключатели, в которых не требуется слишком высокое быстродействие, тепловой контроль имеет хорошую перспективу практического применения.
Следует отметить, что сильные пространственные ограничения, реализуемые в порах, могут приводить к существенной модификации фазового состояния, статических и динамических свойств ЖК. Один из наиболее известных эффектов это смещение температуры фазового перехода нематик – изотропная жидкость будет подробно рассмотрен в Главе 4. В литературе также рассматривалось влияние слабого сцепления на вызванные электрическим полем изменения ориентационной структуры ЖК в плоских слоях и порах [87]. Однако, до настоящего времени не рассматривалась динамика переориентации директора в цилиндрических порах нанометровых размеров. В связи с этим, в данной Главе большое внимание уделено результатам экспериментальных исследований динамики электрооптического и термооптического отклика композиционной среды.
В экспериментальных измерениях электрооптического отклика НЖК, ограниченного в порах ПЭТФ плёнки, была использована ячейка, показанная на рисунке 3.1.5. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 3.3.1.
Для определения начального положения образца пористой ПЭТФ пленки, заполненной ЖК, относительно первого поляроида, образец нагревался выше температуры фазового перехода НЖК (для нематика 5CB выше 35,1оС, для смеси ЖК Е7 выше 58оС). После этого образец устанавливался (вращением в плоскости поляризаторов) в положение, соответствующее минимальному значению интенсивности излучения, проходящего через образец. Таким образом оптическая ось плёнки была параллельна плоскости поляризации первого поляроида. Для этих измерений был разработан термостатируемый столик и реализован блок управления термостатированием. Существенным отличием термостатного столика от стандартных заключается в том, что он является оптически прозрачным в радиусе 5 мм. Эскизы термостатного столика представлены в приложении С.
При измерении вольт-контрастной характеристики и времён электрооптического и термооптического откликов образцов пористой пленки, заполненных НЖК, положение образца, помещенного между поляроидами, изменялось на угол а с шагом 15о (для каждого измерения), при этом взаимная ориентация поляроидов задавалась углом 3 . Основные измерения выполнены при двух положениях анализатора пол углом (3 = 0 и (3 = 90о.
Определение ориентационной структуры НЖК, заполненного в поры ПЭТФ плёнки
Пористые среды представляют собой удобные системы для изучения роли поверхностных взаимодействий и физических свойств различных систем. В ЖК влияние поверхностных сил проявляется еще ощутимее, чем в изотропных жидкостях, так как благодаря упорядоченному молекулярному строению мезофазы воздействие границы раздела может передаваться в объем на сравнительно большие расстояния и определять его термодинамические свойства. Структура ЖК, ограниченного твердой поверхностью, может заметно отличаться от его структуры в объеме. Граница жидкого кристалла существенна для образования и структуры дефектов. Во-первых, поверхность задает граничную ориентацию директора и тем самым меняет пространство вырождения параметра порядка и возможные топологически устойчивые типы дефектов. Во-вторых, на поверхности возможно существование специфических чисто поверхностных (а не пришедших из объема) особенностей (дефектов) [92].
Как было показано в первой главе диссертации, исследованиям ориентационной структуры, фазового состояния и термодинамических свойств ЖК, помещенных в цилиндрические поры субмикронных и нанометровых радиусов уделялось большое внимание как экспериментаторов, так и теоретиков. При этом использовались различные экспериментальные методики, в том числе диэлектрические исследования, выполненные для пористой пленки оксида алюминия, пористых стёкол с радиусом пор от 50 до 200 нм [11][23][32][37]. В первом случае с помощью диэлектрических измерений не были определены смещения температуры фазового перехода нематик – изотропная жидкость (N – I), вызванного сильными пространственными ограничениями, что противоречит результатам измерений теплоемкости. Результаты диэлектрических исследований, приведенные в данной главе свидетельствуют об эффективности использования данной экспериментальной методики для изучения фазовых переходов в ЖК, ограниченных порами. Более того, в данной главе ставится цель определить ориентационную структуру НЖК в порах по данным диэлектрических измерений, что представляет интерес с точки зрения экспериментальной проверки различных теоретических подходов, посвященных данной проблеме.
Для проведения диэлектрических измерений в данной работе была использована ячейка, описанная в Главе 3 и показанная на рисунке 3.1.5. Это позволило, как и в случае оптических измерений, исключить паразитное влияние внешних поверхностных слоев жидкого кристалла, которое имеет место в стандартных ячейках «сэндвичного» типа. Как было показано в Главе 3 распределение электрического поля внутри пор ПЭТФ плёнки достаточно однородно и имеет малые искажения только у поверхностей пленки, что позволяет использовать при интерпретации экспериментальных данных параллельную эквивалентную схему, представляющую пористую пленку в виде двух емкостей, заполненных соответственно полимером и ЖК. Как и в случае оптических измерений, образцы пористой ПЭТФ плёнки заполнялись НЖК в вакууме под действием капиллярных сил.
Для измерения электрической ёмкости образцов был использован LCR метр HP 4284A (приложение А). Зависимости ёмкости образцов пористых плёнок с различными радиусами пор от температуры были получены в режиме охлаждения со средней скоростью охлаждения 1К/мин. Измерения проводились при напряжении V =0,6 В и частоте F =1 кГц. Такие условия были выбраны с учётом того, что пороговое напряжение, необходимое для переориентации молекул ЖК на малый угол в объёмном образце, составляет 2 В. Поэтому можно считать, что выбранное значение напряжения исключает воздействие электрического поля на структуру жидкого кристалла, а частота измерений достаточно высока для исключения возможных электрогидродинамических неустойчивостей. Для получения зависимостей ёмкости от температуры был разработан алгоритм управления термостатом на основе цифровых датчиков температуры типа ds18b20 [93], а также разработан термостатный столик, эскизы которого показаны в приложении С. Для поддержания заданной температуры ячейки был реализован ПИД алгоритм [94]. При этом отклонение значения температуры от заданного значения не превышает ±0,05оС [93]. В данной конструкции в качестве чувствительного элемента использовался цифровой датчик температуры ds18b20, обладающий достаточно большой инерционностью. Дальнейшее улучшение технических характеристик термостата возможно при использовании мало инерционных термопар или платиновых тонкоплёночных датчиков температуры [95].
Взаимодействие ЖК с поверхностью поры может приводить к сдвигу температуры фазового перехода N – I, а ограничение доступного для ЖК объема приводит к размытию самого фазового перехода (так как рост корреляционного радиуса обрезается на размере поры) [36][96]. Известно, что температура перехода N – I Тс НЖК, заполненного в поры плёнки, сдвигается в меньшую сторону и зависит от ориентация директора НЖК n в поре [36]. Было установлено, что при радиусе пор r больше 0,5мкм НЖК ведёт себя как в объёмном образце [30].
Как известно, в объемных ЖК образцах фазовый переход N – I сопровождается резкими (скачкообразными) изменениями многих физических параметров, включая главные значения e и o тензора диэлектрической проницаемости, что объясняется соответствующими изменениями степени ориентационной упорядоченности S . Такого рода изменения следует ожидать и в композиционной ЖК среде с сильными пространственными ограничениями, которые реализуются в исследованных образцах пористых ПЭТФ пленок, заполненных ЖК. Это дает основание использовать результаты диэлектрических измерений для идентификации фазового перехода и определения его температуры. При этом следует учитывать возможность сдвига Т с относительно значений в объемных образцах, что вызвано влиянием поверхностей на степень упорядоченности и ориентационную структуру ЖК (Глава 1). На рисунках 4.1.1 и 4.1.2 представлены зависимости ёмкости пористых ПЭТФ плёнок, заполненных НЖК, от радиуса пор.
