Фізика рідких кристалів

Пружні властивості нематичних рідких кристалів

Рідкі кристали є текучими. Нематичні рідкі кристали або нематики (Рис. 1), молекули яких мають продовгувату стержневидну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто, існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором L і називається директором.

    Нематик тече як звичайна рідина, і тому в ньому відсутня пружна деформація зсуву. Це означає, що зміщення шарів нематика відносно один одного не викликає появи пружних тангенціальних сил, які повертали б ці шари у вихідний стан, як це має місце в твердих кристалах. У мезофазі відсутня також пружна деформація розтягу (стиску), оскільки такі деформації пов’язані з переміщенням центрів мас молекул і обов’язково приводять до виникнення течій. Тут не обговорюється пружність при всебічному стиску, яка є рідинах і навіть у газах.

Але рідкі кристали є все ж кристалами, і їх двоїста природа проявляється якраз у пружних властивостях. Це специфічна пружність, яка пов’язана з орієнтаційною впорядкованістю довгих осей молекул у мезофазі (проміжна фаза між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом). При зміні рівноважної орієнтації директора L під дією зовнішніх сил у рідкому кристалі виникнуть пружні сили, які намагатимуться повернути розподіл директора у вихідний рівноважний стан.

Будь-яку деформацію нематика можна звести до трьох простих типів деформацій (Рис. 2). Ці типи деформацій, які називають головними, мають такі назви: деформація поперечного вигину (а), або S-деформація; деформація поздовжнього вигину (б), або В-деформація; деформація кручення (в) або Т-деформація.

Формула для вільної енергії пружної деформації нематика, віднесеної до одиниці об’єму, в загальному вигляді досить складна. Але вона містить три константи пружності K11, K22, K33, які визначають відповідно деформації поперечного вигину, кручення і поздовжнього вигину. Експериментально показано, що для всіх нематиків K33>K11>K22. Це означає, що найлегше в нематику викликати деформацію кручення, яка визначається константою пружності К22, а найважче — деформацію поздовжнього вигину, що визначається модулем К33.

Експериментально також встановлено, що коефіцієнти пружності великою мірою залежать від температури. Часто приймають, що K33=K11=K22=K. Тоді формула для енергії пружної деформації одиниці об’єму набуде простого вигляду:


,

де Δφ — кут відхилення директора на відстані Δх; К — константа пружності.

Орієнтаційні електрооптичні ефекти в нематиках

Текучість рідких кристалів у поєднанні з анізотропією фізичних параметрів і специфічною пружністю є причинами надзвичайно високої їх чутливості до зовнішніх впливів. У практичному аспекті ця властивість найбільш ефективно використовується в електрооптичних ефектах, які спостерігаються при дії на рідкий кристал електричного поля. Зміну оптичних властивостей рідкого кристала під дією електричного поля називають електрооптичним ефектом. Основою всіх електрооптичних ефектів є переорієнтація молекул у макроскопічному об’ємі рідкого кристала під дією електричного поля. Якщо експерименти проводяться в умовах відсутності електричного струму та об’ємних зарядів, то електрооптичні ефекти називаються орієнтаційними. У цьому випадку електричне поле безпосередньо діє на молекули, змінюючи їх орієнтацію, Прийнято говорити, що електричне поле діє на діелектричну анізотропію , змінюючи орієнтацію директора L.

Електрооптичні комірки. В більшості експериментів електрооптичні ефекти досліджуються в комірках типу «сандвіч» (Рис. 3). тобто таких, коли рідкий кристал 5 розмішується між плоскопаралельними прозорими пластинами 2 (наприклад, скляними), на внутрішніх поверхнях яких нанесено прозорі електроди 3, як правило із SnO2. Відстані між пластинами становить десятки мікрометрів і задається діелектричними прокладками 4, розміщеними між пластинами. Для одержання відповідної вихідної (початкової) орієнтації директора L прозорі електроди обробляються способами, описаними вище. На зовнішніх боках пластинок розмішуються поляроїдні плівки 1. Якщо комірка «працює» на відбивання, то на одну із її поверхонь наносять дзеркальне покриття. Електрооптичні комірки, які використовуються в системах відображення інформації, мають свої конструктивні особливості, їх виготовляють за тонкоплівковими технологіями, що їх добре розроблено для потреб мікроелектроніки.

Переходи Фредерікса в електричному полі

В основі орієнтаційних електрооптичних ефектів лежить перехід Фредерікса — переорієнтація директора під дією поля. Можна виділити три стадії перебігу електрооптичних ефектів.

1. Унаслідок діелектричної анізотропії, де рідкий кристал зазнає з боку електричного поля дії обертового момента, який намагається повернути директор.

2. Завдяки текучості (невеликої в’язкості) рідкого кристала обертовий момент переорієнтовує директор за відносно короткий час.

3. Унаслідок оптичної анізотропії ∆n зміна орієнтації директора фіксується оптично, як правило — у вигляді подвійного променезаломлення при схрещених поляроїдах.

Унікальна властивість рідкого кристала — це здатність суттєво змінювати оптичні властивості під дією низьких напруг (частки і одиниці вольтів) при мізерних споживаних потужностях (10-10–10-8 Вт/м2).

Є молекули, в яких дипольний момент напрямлений уздовж довгої осі молекули або утворює з нею невеликий кут. Рідкі кристали з такими молекулами мають позитивну діелектричну анізотропію: ∆ε=εр–ε0>0. Оскільки диполь в електричному полі повертається вздовж поля, то директор L у рідкому кристалі з ∆ε>0 намагається встановитися по полю. Якщо дипольний момент молекули рідкого кристала перпендикулярний до довгої осі молекули або утворює з нею кут, близький до 90°, то такий рідкий кристал має негативну діелектричну анізотропію: ∆ε=εр–ε0<0. Директор L рідких кристалів з ∆ε<0 намагається встановитись перпендикулярно до силових ліній електричного поля. Переорієнтація почнеться при деякій пороговій напруженості електричного поля, яку знаходять з умови: обертовий момент електричних сил зрівняється з повертаючим моментом сил пружності.

Порогова напруга переходів Фредерікса не залежить від товщини шару рідкого кристала і дорівнює:

.

Подвійне променезаломлення, яке управляється електричним полем.

Воно спостерігається в оптично анізотропних середовищах. Унікальна особливість рідких кристалів полягає в тому, що оптичною анізотропією можна легко управляти за допомогою слабких зовнішніх дій, наприклад електричного поля.

Оптична схема для спостереження електрооптичних ефектів містить електрооптичні комірку з відповідною орієнтацією директора відносно поверхні електродів, яка розміщена між двома схрещеними поляроїдами (Рис. 4).

За відсутності електричного поля плоскополяризований промінь світла падає на комірку перпендикулярно до оптичної осі, тому звичайний і незвичайний промені поширюються в одному напрямку з різними швидкостями і взаємно перпендикулярними площинами коливань вектора Е. Аналізатор зводить коливання Е звичайного і незвичайного променів в одну площину, і до спостерігача вони поширюються з однаковою поляризацією та накладаються.

Результат накладання залежить від різниці фаз Δφ між звичайним і незвичайним променями і кута β. Інтенсивність світла на виході аналізатора визначається формулою:

,

Якщо освітлювати комірку монохроматичним світлом, то інтенсивність світла зазнає осциляцій (Рис. 5.). Це відкриває принципову можливість управляти інтенсивністю світла і створювати модулятори світла чи електрооптичні індикатори, які пов’язані з електричним полем. Глибина модуляції залежить від якості початкової орієнтації нематика в комірці, а також від кута β між площиною поляризації падаючого на комірку світла і початковим напрямком орієнтації директора.

Електрооптичні модулятори та індикатори мають значні переваги перед іншими аналогами. Вони управляються досить низькими напругами, споживають мізерну потужність, а шар рідкого кристала в електрооптичній комірці становить десятки мікрометрів (~10 мкм). Серед недоліків слід зазначити не надто високу швидкодію (мілісекунди), що пов’язано зі значною в’язкістю рідкого кристала.

Індикатори на рідких кристалах

Основою цього індикатора є електрооптична комірка з прозорими електродами, один з яких виконаний у вигляді семисегментних елементів, а інший є суцільним (Рис. 6). Між електродами розміщений нематик з додатною діелектричною анізотропією. Вихідна орієнтація нематика планарна, але плавно закручена від нижнього електрода до верхнього на 90° (твіст-структура). Електрооптична комірка поміщена між двома схрещеними поляроїдами і, до яких унизу додано плоске дзеркало. Площини поляризації нижнього і верхнього поляризаторів збігаються з напрямками директора біля відповідних електродів. Принцип дії індикатора такий. Природне світло падає на верхній поляроїд і стає плоскополяризованим. За відсутності електричного поля твіст-структура нематика повертає площину поляризації світла на 90°, тому воно вільно проходить крізь нижній поляроїд, який також повернутий на 90°, і попадає на дзеркало. Відбитий від дзеркала промінь цілком аналогічно падаючому променю проходить крізь усю структуру в зворотному напрямку і попадає в око спостерігача. Це означає, що при виключеній напрузі поле зору індикатора буде світлим.

При вмиканні напруги відбувається перехід Фредерікса, в результаті якого твіст-структура розкручується, і нематик стає гомеотропно орієнтованим. Поляризоване світло в такому нематику не змінює площини поляризації, і тому повністю затримується нижнім поляроїдом. Тобто в цьому випадку світло не доходить до дзеркала і, отже, не повертається в зворотному напрямку. Це спостерігається лише на тих ділянках, на яких підключена електрична напруга, тому на світлому тлі бачитимемо чорні символи. Якщо, наприклад, напруга підключена до двох сегментів, то на світлому тлі бачитимемо чорну цифру 1. Підключаючи напругу до відповідних сегментів, можна сформувати будь-які цифри від 0 до 9. Так діє годинниковий цифровий індикатор.

Аналогічно можна формувати будь-які символи і знаки (букви, точки, лінії тощо), зокрема й рухомі.

Рідкі кристали дають змогу одержувати й кольорове зображення. Для цього використовують електрооптичний ефект «гість — господар».

Ефект «гість — господар»

Для спостереження ефекту «гість—господар» у нематичну матрицю («господар») уводиться як домішка невелика кількість (1-2%) дихроїчного барвника («гість»), осцилятор поглинання якого, наприклад, паралельний довгій осі молекули. Необхідна умова — подібність за будовою й формою молекул барвника і нематика. В такому випадку переорієнтація нематичної матриці в електричному полі (перехід Фредерікса) призводить до синхронної переорієнтації й молекул барвника, що дає змогу візуалізувати перехід Фредерікса. Використовується нематик з додатною діелектричною анізотропією (Δε>0) і планарною вихідною орієнтацією директора. Останню приймуть також молекули дихроїчного барвника. Якщо за відсутності електричного поля площина поляризації падаючого плоскополяризованого світла збігається з напрямком директора, а отже, і з орієнтацією довгої осі молекули барвника, то останній поглинає світло певної довжини хвилі, і комірка матиме характерний для цього барвника колір.

Кольори можна переключати так: до нематика одночасно вводять одночасно два різних барвники із взаємно перпендикулярними осциляторами поглинання на різних ділянках видимої області спектра: в одного барвника осцилятор поглинання паралельний довгій осі молекули, а в іншого — перпендикулярний.

Холестеричні рідкі кристали

Ці кристали відносять до різновиду нематиків зі спіральним закручуванням надмолекулярної структури. Якщо умовно виділити квазінематичні шари, в яких L має однаковий напрямок з відстанями між ними 5÷6 Å, то і кут закручування між ними становить лише 8÷10′ . Але на великих відстанях ці незначні повороти призводять до утворення так званої холестеричної спіралі (такий напрямок, з переміщенням по якому регулярно змінюється орієнтація директора L — він плавно повертається на деякий кут φ).

Наслідком закрученої періодичної структури холестериків є їх унікальні оптичні властивості. Найбільш характерними серед усіх оптичних властивостей є селективне відбивання світла (зміна кольору плівки із зміною кута спотереження) у вузькому спектральному діапазоні, яке сильно залежить від температури (Рис. 7).


ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

Стендова доповідь (1.5 MiB, Завантажень: 4)

завантаження...
WordPress: 23.11MB | MySQL:26 | 0,699sec