Беспороговая электрооптическая мода в сегнетоэлектрических жидких кристаллах тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

62 11/97

Диссертация

Беспороговая электрооптическая мода в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

Физический факультет Технический Университет Дармштадта

на соискания ученой степени Доктора естественных наук (Dr.rer.nat.)

Защищенная диссертация дипл. физ. Федора В. Подгорнова, рожденного в г. Коркино, Россия

Референт: Проф. Др. Т. Чуди Кореферент: Проф. Др. В. Хаазе (РВ 7)

День подачи: 11.02.2004 День защиты: 19.04.2004

Дармштадт 2004

•президиум ВАК

выдать див

.......-—ф^^ЦЩ^

Г; Ш7 •

Ш- т

ьАК России

ьш.

Введение

Содержание

5

Глава № 1 Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических 9

жидких кристаллах

1.1 Жидкие кристаллы 10

1.1.1 Нематические жидкие кристаллы 10

1.1.2 Смектические жидкие кристаллы 11

1.2 Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических жидких кристаллах 16

1.2.1 Электроклинный эффект 16

1.2.2 Эффект деформированной спирали в сегнетоэлектрических жидких кристаллах (ДССЖК) 17

1.2.3 Поверхностно стабилизированные сегнетоэлектрические жидкие кристаллы 19

1.2.4 Беспороговая и бесгистерезисная электрооптическая

мода (\/-образное переключение) 23

Глава № 2 Эксперимент 32

2.1 Экспериментальная установка 33

2.2 Материалы 36

2.3 Изготовление СЖК ячеек 38

2.4 Компьютерное моделирование СЖК ячеек 43

Глава № 3 Экспериментальное исследование и компьютерное 47

моделирование безпорогового переключения в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

3.1 Эквивалентная электрическая цепь СЖК ячейки. Динамический 48 делитель напряжения

3.1.1 Делитель напряжения с внешними электрическими 52

элементами

3.2 Зависимость параметров У-образного переключения от толщины СЖК и ориентирующих слоев

3.2.1 Зависимость частоты инверсии от толшины

58

ориентирующего/ изолирующего слоя. Эксперимент

3.2.2 Зависимость частоты инверсии и напряжения насыщения 60 от толщин СЖК слоя

3.2.3 Зависимость частоты инверсии гистерезиса от толщины 61 СЖК слоя. Компьютерное моделирование

3.2.4 Зависимость порогового напряжения и частоты 63 инверсии от толщины ориентирующих слоев. Компьютерное моделирование

3.3 Роль проводимости СЖК слоя в У-образном переключении 65

3.3.1 Зависимость частоты инверсии от температуры 65

3.3.2 Допированные СЖК слои 66

3.3.2.1 Осциллограммы тока. Сопротивление ячеек. 68 Эксперимент и компьютерное моделирование

3.3.2.2 Электрооптические свойства проводящих ячеек. 71 Эксперимент и компьютерное моделирование

3.4 Зависимость частоты инверсии от проводимости и спонтанной 75 поляризации. Компьютерное моделирование

Глава № 4 Оптические модуляторы на основе беспороговой 79

электрооптической моды

4.1 Высокочастотный модулятор с V образным электрооптическим 80 откликом

4.2 Шкала серого высокочастотного СЖК модулятора с У-образным 81 электрооптическим откликом

4.3 Отклик на полярные импульсы с большой скважность 82 Заключение 86 Литература 89 Автобиография 92 Список публикаций 93

Заявление 96

Подтверждение 97

Благодарности 98

Введение

В настоящее время мы являемся свидетелями стремительного роста интереса, как к исследованию фундаментальных свойств жидких кристаллов, так и к их практическим применениям. Данный тип материалов привлекает к себе значительное внимание, благодаря своим уникальным физическим свойствам, таким, как комбинация свойств жидкости (текучесть) и пространственное/ориентационное упорядочение, сильная чувствительность к внешнему электрическому/магнитному полю, механическим напряжениям, и т.д. Электрооптические свойства ЖК позволяют успешно использовать данные материалы в дисплейных приложениях, переключателях, дефлекторах и т.д. В связи с этим, исследование электрооптических эффектов в жидких кристаллах играет ключевую роль не только с точки зрения изучения фундаментальных свойств ЖК, но и для их возможных применений. Среди всех типов жидких кристаллов, наиболее исследованными и применяемыми на практике являются нематические жидкие кристаллы (НЖК). Данный тип жидких кристаллов характеризуется ориентационным упорядочением молекул и одновременно отсутствием их трансляционного порядка. Из свойств симметрии НЖК следует, что ЖК данного типа не могут иметь макроскопического дипольного момента. Вследствие этого, НЖК не чувствительны к знаку приложенного электрического поля, что и является основной причиной их медленного времени переключения, лежащего в миллисекундном диапазоне. В настоящее время открыто и исследовано множество элекгрооптических мод НЖК: S -эффект, В - эффект, твист и супер твист, эффект двух частотной адресации, переходный эффект [Blinov], Несмотря на то, что практические все современные ЖК устройства основаны на НЖК, проблема с их временем отклика до сих пор не решена. Вместе с тем, 28 лет назад был открыт новый тип жидких кристаллов -хиральные смектики. С (сегнетоэлектрические жидкие кристаллы (СЖК)) [Meyer], По сравнению с НЖК, СЖК обладают рядом отличительных черт, а именно одновременное существование как ориентационной, так и трансляционной (одномерной) упорядоченности молекул, а также хиральность данных молекул. Комбинация данных свойств приводит к

возникновению не скомпенсированного макроскопического дипольного момента. Данное обстоятельства имеет три существенных последствий для оптических приложений: 1) зависимость электрооптического отклика от полярности приложенного электрического поля, 2) быстрое время отклика лежащее в микросекундном диапазоне, 3) вращение директора СЖК параллельно плоскости ячейки (при планарной ориентации СЖК) под действием электрического поля [1_\л/аН]. Другими словами, СЖК могут рассматриваться как конкурирующие НЖК материалы для ряда приложений.

С момента открытия СЖК у них было открыто несколько геометрий: поверхностно стабилизированный СЖК (БвРЬС) [1_адС1аг] и СЖК с деформированной спиралью (ОНР1_С) [ВегвЬа]. Из множества электрооптических эффектов в данных геометриях одним из самых перспективных с точки зрения приложения является так называемая V -образная мода (беспороговая и бесгистерезисная электрооптическая мода).

Детальный обзор электрооптических мод в СЖК будет представлен в главе № 1 настоящей диссертации.

Среди всех электрооптических эффектов в СЖК, наибольший интерес вызывают ОНР1_С и \/-образное элекгрооптическое переключение поскольку именно они позволяют генерировать непрерывную шкалу серого у пространственно-временных модуляторов света. В тоже самое время, только V -образная мода имеет беспороговое переключение. Использование данного эффекта в активно матричных дисплеях может существенно упростить и удешевить процесс их изготовления и одновременно улучшит эксплуатационные характеристики. Однако с момента открытия данного эффекта его природа является все еще предметом противоречивых дебатов.

На настоящий момент предложено несколько моделей для объяснения механизма данной электрооптической моды, а именно 1) модель коллективного движения, основанная на предположении что \/-образная мода это некое специальное свойство особой смектической фазы (хиральный смектик X (втХ*)). [1пш, Рикис1а]; 2) электростатическая модель, предложенная Н. Кларком и соавторами [С1агСо1,Сор, МасС1аг],

в рамках которой предполагалась блочная переориентация СЖК из-за взаимодействия электрического поля, индуцируемого спонтанной поляризацией и самим вектором спонтанной поляризации; 3) модель влияния полярной части энергии сцепления СЖК или АСЖК с ориентирующими слоями [Е^М.Е^Й].

Несмотря на множество предложенных моделей, ранние работы не выявили природу данного электрооптического эффекты и не смогли объяснить ряд его особенностей. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования с целью объяснения его физических механизмов.

Принципиально новый подход был недавно предложен Л.М. Блиновым, В. Хаазе , С.А. Пикиным и соавторами [Наазе1, Наазе2]. Основной идеей данной модели является ключевая роль параметров динамического делителя напряжения, формируемого элементами

жидкокристаллической ячейки, а именно слоем сегнетоэлектрического жидкого кристалла и слоем полимерного ориентанта. Благодаря такому делителю напряжения, напряжение на слое СЖК радикально отличается от напряжения приложенного ко всей ячейке. График зависимости интенсивности прошедшего излучения (ячейка помещена между скрещенными поляризаторами) от приложенного напряжения существенно отличается от подобного графика, но построенного в зависимости от напряжения непосредственно на слое СЖК. Только в первом случае возможно существование беспороговой, безгистерезисной моды. Иными словами, было показанно что \/-образное электрооптическое переключение является воображаемым, а не реальным. Используя данную модель, были созданы ячейки с частотой инверсии, превышающей 700 Гц. С другой стороны, в работах [НаазеЗ,Наазе4], используя компьютерное моделирование, было исследовано влияние физических параметров СЖК смесей на характеристики \/-образной электрооптической моды.

Глава № 2 посвящена описанию экспериментальной установки, методам характеризации СЖК ячеек и используемых смесей, технологии изготовления ячеек, а также описанию программного обеспечения

используемого для компьютерного моделирования электрооптического переключения в СЖК.

Глава № 3 посвящена исследованию беспороговой электрооптической моды в СЖК. В данной главе детально рассмотрена природа данной моды, а также влияние различных параметров на частоту инверсии и напряжение насыщения (емкость ориентирующих слоев, проводимость СЖК, спонтанная поляризация, энергия сцепления). Анализ полученных результатов будет проводиться на основе модели динамического делителя напряжения.

Глава № 4 описывает результаты исследования оптимизированной высокочастотной ячейки с \/-образным типом переключения. В данной главе будут продемонстрированы ее динамические электрооптические характеристики и продемонстрирована шкала серого. Полученные экспериментальные результаты будут сравнены с результатами компьютерного моделирования.

Цели работы

Исследование механизмов и компьютерный анализ \/-образной электрооптической моды в сегнетоэлектрических жидких кристаллах:

а) Роль динамического делителя напряжения, формируемого структурой СЖК ячейки в формировании \/-образного типа переключения

б) Роль спонтанной поляризации, полярной части энергии сцепления и текстуры СЖК в механизмах \Л-образного переключения

в) Влияние проводимости СЖК на частоту инверсии

г) Исследование свойств шкалы серого у СЖК С У-образным типом переключения

Глава № 1

Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

1.1 Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы представляют собой промежуточное состояние (мезофаза) между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью.

Вещество в этом состоянии сильно анизотропное в некоторых своих свойствах и обладает определенной степенью текучести, которая в некоторых случаях сравнима с текучестью обычной жидкости. Мезоморфизм происходит в веществах, молекулы которых геометрически высоко анизотропны, например, форма типа «стержень» или «диск». В зависимости от молекулярной структуры, система может пройти через одно или более мезоморфное состояние до того, как превратится в изотропную жидкость. Переходы в эти промежуточные состояния могут быть индуцированы, благодаря только термическим процессам (термотропные) либо благодаря влиянию растворителя (лиотропные). По внутренней структуре термотропные жидкие кристаллы могут подразделяться на нематики и на смектики.

1.1.1 Нематические жидкие кристаллы

Нематические жидкие кристаллы характеризуются дальним ориентационным порядком и отсутствием дальнего позиционного порядка молекул [5,24]. Как и в случае изотропного вещества, плотность не зависит от координат, р(г)=сопз1 Директор в нематиках удовлетворяет условию п=-п и совпадает с направлением оптической оси (рисунок 1.1 а).

п

б

Рисунок 1.1 : а) Структура нематика; б) структура хирального нематика (холестерика). п - директор, г -направление длинной оси

Нематическая фаза обладает цилиндрической симметрией по отношению к плоскости, перпендикулярной оси z. Другими словами, нематики имеют группу точечной симметрии которая запрещает существование макроскопического дипольного момента. Как правило, фазовый переход из изотропной фазы в нематики - это слабый переход первого порядка [ВПпоу], с небольшим скачком параметра порядка Э и других термодинамических свойств. Наблюдается также расхождение температур в некоторых физических параметрах (теплоемкость, диэлектрическая проницаемость) в области перед фазовым переходом.

Обычные нематические жидкие кристаллы формируются палочкообразными молекулами, составляющими одноосную среду с неполярной симметрией. Благодаря этому замечательному свойству нематиков, возможно создать однородную ориентацию молекулярных осей по всему образцу, таким образом получив однодоменный образец.

Если добавить хиральные молекулы к нематикам или использовать хиральные мезогенные молекулы, можно получить так называемую холестерическую мезофазу [Ве18оп]. Холестерики характеризуются тем, что направление длинной молекулярной оси в каждом соседнем слое повернуто под некоторым углом по отношению к молекулам в предыдущем слое. В результате формируется спираль. Шаг спирали зависит от природы молекул. Соответственно шагу, ось ориентации молекул вращается на угол 2тт, хотя период оптических свойств равен тт. Локально, как и нематики, холестерики одноосны. Макроскопически, благодаря усреднению, спиральная структура тоже одноосна, оптическая ось совпадает со спиральной осью, которая перпендикулярна локальной (нематической) оптической оси. Замечательное оптическое свойство холестериков - селективное отражение света. Длина волны отраженного света - функция шага спирали.

1.1.2 Смектические жидкие кристаллы

Другой класс жидких кристаллов - смектики, в которых молекулы имеют некоторую степень позиционного порядка [ЕЫоп, ВП'поу, 1.\/\/а11]. Во многих важных смектических фазах (ЭтА, БтС) позиционное упорядочивание

происходит только в одном направлении, формируя слои двумерных нематиков. Самая простая смектическая фаза - это смектик А (вплА) фаза (см. рис. 1.2 а), в которой среднее направление молекулярной ориентации происходит вдоль нормали к слою смектика. Кроме того, существует семейство наклонных смектических кристаллических фаз, в которых директор располагается под фиксированным углом 8 к нормали к слою, самая простая из них - смектик С(8тС) (см.рис.1.2 Ь).

а

б

Рисунок 1 .2: Структура смектических жидких кристаллов а) Смектик А (БтА), б) Смектик С (ЭтС)

Когда фазы включают в себя хиральные молекулы, возникают хиральные версии вышеописанных фаз - БтА*, БтС*. Один из эффектов хиральности молекул в случае наклоненного ЭтС* - прецессия азимутальных углов директора от одного слоя к другому. Это приводит к формированию макроскопической спиральной структуры с осью вдоль нормали к слою (см. рисунок 1.3).

Шш

щщ

п

Шт

I

Рисунок 1.3 : Структура хиральной смектической С фазы

Как и ориентационное упорядочивание в нематиках, позиционное упорядочивание в смектиках не идеально. В некоторых случаях плотности распределения центров масс молекул как функции расстояния вдоль нормали к слоям подчиняется синусоидальному закону [1_\л/а11]:

где р0 - средняя плотность и 9 - расстояние между слоями (обычно несколько нанометров, ф - параметр порядка смектика (отношение амплитуды осцилляций к средней плотности слоев). Внутри каждого слоя, ориентационное упорядочивание по отношению к директору описывается нематическимпараметром порядка:

Рисунок 1.4: Пространственная ориентация молекул в смектической С фазе

Но в случае наклоненных смектических фаз, нужны еще два параметра порядка для описания фазы - азимутальный угол ср директора по отношению к фиксированной системе координат и наклон директора по отношению к нормали к слою 0 (см. рис. 1.4).

Здесь 8 - это угол между молекулой и директором. Параметры порядка в и ф достаточны для описания ЭплА фазы.

ъ

Точечные симметрии смектических фаз и сегнетоэлектричество

Кроме трансляционной симметрии, фаза смектика А обладает следующими точечными симметриями [Е1э1:оп,1_\л/а11]:

A) Зеркальная симметрия в плоскости, параллельной смектическим слоям, которые находятся точно между плоскостями.

Б) Двукратная вращательная симметрия вокруг любой оси, лежащей в одной из вышеперечисленных зеркальных плоскостей.

B) Зеркальная симметрия в любой плоскости, перпендикулярной смектическим слоям.

Г) Полная вращательная симметрия вокруг оси, перпендикулярной слоям.

Этот набор точечных симметрий соответствует точечной симметрии в обозначениях Шенфлиеса. Хиральный вариант БтА фазы имеет только вращательную симметрию, зеркальная симметрия больше не с