Введение к работе
Ориентационно-упорядоченные конденсированные среды, такие как жидкие кристаллы, сочетающие в себе свойства жидкостей и кристаллических твердых тел, представляют интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. Экспериментальные и теоретические исследования анизотропных структур жидких кристаллов (ЖК), полученных в результате их взаимодействия с ориентирующей поверхностью, и изменения их оптических свойств под действием электрического поля относятся к разделу оптики жидкокристаллических сред.
Нематические жидкие кристаллы широко используются во всевозможных дисплейных устройствах, ноутбуках, компьютерах, сотовых телефонах и других коммуникационных устройствах. Они находят применение и в различных фотонных устройствах, используемых в системах записи, отображения и обработки информации.
Актуальность диссертационной работы связана с разработкой электроуправляемых оптических жидкокристаллических устройств, используемых в телекоммуникационных системах для модуляции сигнала по интенсивности и фазе. Оптические характеристики, быстродействие и энергопотребление этих устройств зависят от начальных условий на границе раздела фаз нематического жидкого кристалла с ориентирующей поверхностью, обуславливающих пороговое напряжение электрооптического эффекта и начальный угол наклона директора, которые влияют на их характеристики.
Осуществление ориентации молекул жидких кристаллов является одной из важных технологических операций в изготовлении различных ЖК устройств. Получение однородной ориентации молекул жидкого кристалла необходимо для обеспечения однородности поля директора, определяющего его оптическую ось. Выравнивание молекул в заданном направлении происходит в результате физико-химического взаимодействия жидкого кристалла с поверхностью, обладающей анизотропными свойствами, или в результате фотоиндуцированной ориентации молекул. Известны различные способы ориентации жидких кристаллов, такие как механическое натирание полимерных слоев, наклонное осаждение материалов в вакууме, фотоиндуцированная ориентация, химическое осаждение слоев (chemical vapor deposition - CVD) с помощью плазмы и другие.
Способ создания ориентирующих слоев CVD-технологией основан на деструкции паров углеводородов в плазме тлеющего разряда и осаждении продуктов деструкции на подложки. Метод не требует сложного вакуумного технологического оборудования и допускает его масштабирование. Широкий выбор относительно дешевого жидкого и газообразного углеводородного сырья, используемого для получения ориентирующих слоев, открывает большие возможности химической и физической модификации
поверхностных свойств ориентирующих слоев в одном процессе. Ориентирующие слои, полученные CVD технологией из паров углеводородов с помощью плазмы тлеющего разряда, представляют собой тонкие пленки аморфного гидрогенизированного углерода (а-С:Н). В зависимости от условий получения в плазме они имеют полимероподобную (polymer-like carbon) или алмазоподобную (diamond-like carbon) структуру и свойства .
Ориентирующие а-С:Н слои, с близким к нулю начальным углом наклона директора, могут быть получены путем осаждения паров углеводорода на подложки, расположенные наклонно относительно электродов плазмы . Однако малый угол может приводить к неоднородности ориентации и визуализации дефектов поверхности, а высокое удельное сопротивление этих диэлектрических слоев способствует повышению порога эффекта Фредерикса. Модификация поверхности а-С:Н слоев путем воздействия на неё УФ излучения позволяет изменять анизотропию рельефа и свойства поверхности, а также варьировать начальный угол наклона директора жидкого кристалла.
Основной целью проводимых в работе исследований было улучшение однородности ориентации нематических жидких кристаллов на поверхности тонких слоев а-С:Н и снижение порогового напряжения эффекта Фредерикса для повышения быстродействия и снижения энергопотребления ЖК устройств на их основе.
Основными задачами диссертации в соответствии с поставленными целями, были следующие исследования:
изменения текстуры и свойств поверхности слоя а-С:Н в результате воздействия на неё неполяризованного и поляризованного УФ излучения;
закономерностей изменения оптических свойств и порога электрооптического эффекта нематического ЖК в зависимости от толщины ориентирующего а-С:Н слоя;
закономерностей изменения оптических свойств нематического ЖК и порога электрооптического эффекта в результате добавления в них полупроводниковых квантовых точек.
Для решения поставленных задач в работе были проведены следующие экспериментальные исследования:
способов формирования анизотропии текстуры ориентирующих жидкие кристаллы слоев на основе аморфного углерода путем
1 Коншина Е. А. Методы получения и свойства ориентирующих жидкие кристаллы слоев на основе
аморфного углерода // Опт. журн. 2011. Т.78. №2. С.72-83
2 Коншина Е. А. Взаимодействие между нематическим жидким кристаллом и аморфными углеводородными
ориентирующими слоями. // Кристаллография. 1995.Т.40, № 6. С. 1074-1076.
3 Sakamoto К., Usami К., Sasaki Т., Uehara Y., Ushioda S. Pretilt angle of liquid crystals on polyimide films photo-
aligned by single oblique angle irradiation with un-polarized light. II Jpn. J. of App. Phys. 2006. V. 45. No 4A. - P.
2705-2707
воздействия на их поверхность неполяризованного излучения ртутной лампы и поляризованного излучения УФ наносекундного лазера;
оптических характеристик плоскопараллельных ячеек, заполненных
нематическим жидким кристаллом, и влияние на них толщины ориентирующего а-С:Н слоя;
изменения оптических характеристик ячеек с ориентирующим слоем
а-С:Н в результате добавления в нематический жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS.
Объектами исследования в этой работе служили ориентирующие а-С:Н слои, полученные из паров ацетона в плазме тлеющего разряда на постоянном токе при давлении в вакуумной камере 5 10" Па, слои прозрачного проводящего электрода на основе окислов индия и олова, полученные катодным распылением в аргоновой плазме, плоскопараллельные ячейки, собранные из стеклянных подложек, диаметром 35 мм, покрытых этими слоями и заполненных нематическим жидким кристаллом или суспензией жидкого кристалла с полупроводниковыми квантовыми точками.
Исследования характеристик ЖК ячеек, а также начального угла наклона директора и порога электрооптического эффекта проводилось с помощью ранее разработанных методик . Однородность ориентации контролировалась, и изменение текстуры поверхности слоев в результате воздействия поляризованного УФ излучения исследовалось с использованием поляризационной микроскопии. Результаты воздействия неполяризованного излучения на поверхность слоев изучались с помощью метода многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО).
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:
1. Показана возможность улучшения однородности ориентации НЖК
путем предварительной обработки поверхности электродного слоя
на основе окислов индия и олова УФ излучением наносекундного
лазера перед осаждением на него а-С:Н слоя.
2. Установлены закономерности изменения экранирующего эффекта
ориентирующего а-С:Н слоя и влияние его на порог
электрооптического эффекта Фредерикса, начальный угол наклона
директора нематического жидкого кристалла и фазовую задержку
света.
3. Установлены закономерности изменения диэлектрической
проницаемости, порога электрооптического эффекта Фредерикса,
начального угла наклона директора и фазовой задержки света в
4 Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами. // Опт. журн. - 2006. -Т.73, -В. 12. -С. 9-13.
нематическом жидком кристалле с положительной диэлектрической анизотропией в зависимости от концентрации полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS, добавленных в него.
Защищаемые положения
1. Сканирование поверхности тонкопленочной структуры, состоящей из
слоев окислов индия и олова, покрытых ориентирующим слоем а-С:Н,
излучением УФ лазера с наносекундной длительностью импульса вызывает
испарение ориентирующего слоя, что приводит к нарушению гомогенной
ориентации жидкого кристалла в местах ее обработки.
-
Для создания нанотекстурированной поверхности ориентирующего а-С:Н слоя необходимо воздействовать на нее УФ излучением с фемтосекундной длительностью импульса, которое, не нарушая целостности этого слоя, может способствовать структурным изменениям в аморфном углероде сопровождающимся уплотнением его структуры.
-
Снижение экранирующего эффекта и порога электрооптического эффекта Фредерикса путем уменьшения толщины ориентирующего а-С:Н слоя приводит к повышению начального угла наклона директора нематического жидкого кристалла и уменьшению фазовой задержки света в его слое.
4. Увеличение концентрации полупроводниковых квантовых точек в
интервале от 0,1 до 0,2 вес.%, добавленных в нематический жидкий кристалл
с положительной диэлектрической анизотропией, приводит к понижению его
диэлектрической проницаемости, а также порога электрооптического
эффекта и увеличению начального угла наклона директора.
Практическая значимость результатов работы
Результаты исследований, связанные с вариацией начального угла наклона директора и корреляции его с порогом электрооптического эффекта, а также влияние на эти параметры добавления в жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек могут служить физической основой дальнейшего совершенствования ЖК технологии. Полученные результаты имеют практическое значение и используются при разработке технологии создания оптических устройств телекоммуникационных систем.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: VI, VII, VIII Всероссийских Межвузовских конференциях молодых ученых, СПб НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, апрель 2009, 2010, 2011 гг.; I Межвузовской студенческой конференции, СПБ НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, май 2010 г.; European Conference on Liquid Crystals, February, 2011, Maribor, Slovenia.; International Liquid Crystal Conference, August, 2012, Mainz, Germany.
Публикации
По результатам работы было опубликовано 11 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах: Письма в Журнал технической физики, Научно-технический вестник СПб ГУИТМО, Molecule Crystals & Liquid Crystals.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично. Автор осуществлял проведение экспериментов по получению экспериментальных образцов, ориентирующих слоев и изготовлению ЖК ячеек, исследованию их характеристик, анализу полученных результатов, расчеты и подготовку полученных результатов к публикации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 59 ссылок, из них 7 ссылок на работы автора. Работа изложена на 103 страницах, содержит 31 рисунок и 10 таблиц.
