Эффекты соразмерности и устойчивость свободно-подвешенных и смачивающих жидкокристаллических пленок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

§ В.1. Актуальность темы диссертации.

§ В.2. Основные цели работы

§ В.З. Структура диссертации

§ В.4. Научная новизна работы

§ В.5. Практическая ценность полученных результатов

§ В.6. Апробация результатов работы

ГЛАВА 1. ДИСКРЕТНОЕ УТОНЫПЕНИЕ СВОБОДНО-ПОДВЕШЕННЫХ СМЕКТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК (СПСП) В МОДЕЛИ ДЕ ЖЕНА "ПРЕ-СМЕКТИЧЕСКОЙ" ЖИДКОСТИ

§ 1.1. Экспериментальные свидетельства дискретного утоньшения перегретых СПСП.

§ 1.2. Модель Де Жена "пре-смектической" жидкости.

§ 1.3. Свободная энергия перегретой СПСП

§ 1.4. Условие устойчивости перегретой СПСП

§ 1.5. Перегретая СПСП в присутствие внешней сжимающей силы.

Критические точки потери механической устойчивости

§ 1.6. Длинноволновая толщинная неустойчивость перегретой СПСП. Капиллярная длина.

§ 1.7. Температура максимально возможного перегрева

СПСП. "Скейлинг"

§ 1.8. Оценки

§ 1.9. Дислокационный механизм спонтанного утоньшения перегретой СПСП.

В.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ

Физические свойства жидких кристаллов (ЖК) обусловлены ярко выраженной анизотропией слагающих их молекул, которые в общем случае сильно вытянуты в одном направлении (вдоль длинной молекулярной оси). Специфичность взаимодействия между ЖК-молекулами (межмолекулярное взаимодействие) приводит к тому, что в определенных температурных интервалах жидкие кристаллы могут существовать в виде различных фаз, обладающих ориентационным (нематики), одномерным позиционным (смектики) порядками [4], и являющихся промежуточными состояниями между изотропной жидкой фазой (I) и твердым кристаллом.

В нематической фазе (N) длинные оси молекул в среднем ориентированы вдоль одного выделенного направления, задаваемого единичным вектором п, называемого директором, т.е нематик представляет собой анизотропную жидкость.

Смектические фазы характеризуются одномерной модуляцией плотности с периодом do (порядка длины молекулы), т.е. представляют собой простейший кристалл с одной кристаллической осью. При этом в смектической А-фазе направление кристаллической оси и директора п совпадают, а в смектической С-фазе указанные направления расходятся на угол в (т.е. в смектическом слое имеет место коллективный наклон молекул относительно кристаллической оси) [4]. Кроме того, в смектической С-фазе упорядочены также ориентации коротких (поперечных) осей молекул (вдоль директора п').

В свою очередь, С*-фаза, составленная из киральных молекул, обладающих поперечным дипольным моментом, обладает сегнетоэлектрическими свойствами, причем вектор спонтанной поляризации в С*-фазе направлен вдоль вектора п' [62]. При этом, благодаря существованию в объемной С*-фазе ориентационной спирали п (закрученной вдоль кристаллической оси, с шагом много больше чем do), вектор спонтанной поляризации также оказывается закрученным вдоль кристаллической оси, образуя так называемый геликоид поляризации с шагом много больше чем do [62].

Фазовые переходы между объемными ЖК-фазами, происходящие при изменении температуры, достаточно хорошо изучены и описываются в рамках известных феноменологических моделей [4], [62]. Между тем, экспериментальные исследования последних лет показали, что ЖК демонстрируют также большое разнообразие поверхностных свойств и явлений. Благодаря ярко выраженной анизотропии молекул, слагающих ЖК, наличие ограничивающей поверхности может оказывать существенное влияние на характер жидкокристаллического (ориентационного и позиционного) упорядочения в прилегающем к поверхности слое ЖК [1-3,22,25-36,77-84]. В настоящее время все возрастающий интерес вызывают свойства смектических ЖК (СЖК) и их пленок. Последнее связано с тем, что при пространственном ограничении СЖК слоистость СЖК оказывается причиной уникальных физических свойств свободно-подвешенных смектических пленок (СПСП) [1-3,22,77-84], смачивающих смектиче-ских пленок (ССП) [25-36], тонких сегнетоэлектрических смектических С*-пленок с однородной спонтанной поляризацией [77-84].

Вместе с тем, понимание физических свойств СЖК-пленок явно недостаточно. В частности, удивительная устойчивость и дискретное утоньшение СПСП, наблюдаемые при их перегреве выше температуры объемного NA-перехода (нематик - смек-тик А) [1-3], послойный рост ССП, наблюдаемый вблизи границы изотропной жидкой фазы СЖК по мере приближения к температуре объемного IA-перехода (изотропная жидкость - смектик А) [25-36], и потеря устойчивости однородной спонтанной поляризации (азимутальная переполяризация) смектических С*- пленок конкретных геометрий в переменном электрическом поле [77-84] продолжают оставаться нерешенными проблемами физики жидких кристаллов.

Заметим, что попытки объяснения предпереходных поверхностных явлений в СЖК-пленках до сих пор проводились путем численного счета в рамках микроскопических моделей ЖК упорядочений, а именно в рамках решеточных моделей [37] и в рамках теории среднего поля Мак-Миллана [23,24,38-40]. При этом не было достигнуто понимание физических причин указанных выше явлений и не было проведено даже качественное сравнение с экспериментом. Между тем, особенность СЖК-пленок заключается в том, что для них возможно качественное описание указанных явлений, исходя из анализа взаимодействия поверхностей СЖК-пленок (расклинивающего взаимодействия, обуславливающего расклинивающее давление [22]), которое может быть получено на основе знания структуры и общих свойств ЖК-фаз (см. например, модель "пре-смектической жидкости" [6], модель азимутальной переполяризации тонких смектических С*-пленок в постоянном электрическом поле [63,64,76]). По этой причине объяснение предпереходных поверхностных явлений в СЖК-пленках является важным и актуальным для дальнейшего развития физики поверхностных явлений.

Кроме того, поскольку СЖК представляют собой простейшие (1D-) кристаллы, то понимание свойств СЖК-пленок может помочь пониманию явлений, происходящих в кристаллических пленках, что актуально для физики твердого тела. Наконец, физические явления, связанные с СЖК-пленками, важны и интересны для практических приложений (см. В5).

§ 3.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данной главе моделъ азимутального движения вектора поляризации (азимутальной переполяризации) за счет движения уединенных ориентационных перегибов [63,64, 76] обобщена на случай тонких (толщиной порядка 1 мкм) свободно-подвешенных С*-пленок и С*-пленок геометрии "книжной полки", переполяризующихся в переменном электрическом поле. При этом получены простанственно-време-нные зависимости для азимутального угла ориентации директора и вектора поляризации, определяющие движение ориентационных перегибов и, соответственно, динамику переполяризации указанных С*-пленок. Показано, что динамика азимутальной переполяризации в переменном электрическом поле смектических С* пленок, как свободно подвешенных, так и находящихся между твердыми поверхностями электродов, определяется осцилляторным движением уединенных ориентационных перегибов.

Существенную роль при переполяризации играют границы однородного слоя смектической фазы С*, на которых под действием внешнего поля могут зарождаться уединенные ориентационные перегибы, перемещающиеся потом внутрь сегнетоэлек-трической пленки. Этими границами могут служить как поверхность пленки, так и доменные стенки в случае образования доменной структуры в пленке. На движение перегибов также существенно влияет диэлектрическая анизотропия в плоскости смектического слоя, которая может быть обусловлена фактической двуосностью смектика С*, анизотропией диполь-дипольных взаимодействий и электрическим влиянием внешних границ. Конкретные наборы этих условий приводят к разнообразным режимам движения перегибов и, соответственно, к различным температурным и полевым зависимостям характеристик квазирезонансного рассеяния поляризованного света. Движение перегибов имеет место, если расстояние между характерными границами превышает ширину перегиба. В С*-пленках толщины порядка 1 мкм, как свободно подвешенных, так и находящихся между твердыми поверхностями электродов, уединенные перегибы могут перемещаться в трех измерениях, а в случае очень тонкой пленки (толщины 1 мкм) - только вдоль ее поверхности.

Указанный механизм переполяризации С*-пленок приводит к совершенно особенной форме возмущений тензора диэлектрической проницаемости, и, соответственно, к совершенно особенной квазирезонансной форме частотной зависимости интегральной интенсивности рассеяния поляризованного света на рассматриваемых переполяризующихся С*-пленках. При этом найдены зависимости квазирезонансных характеристик рассеяния света от толщины, анизотропии С*-пленок, амплитуды приложенного переменного электрического поля и отклонения от температуры объемного АС*-перехода. Последнее позволило качественно обсудить эксперимент по рассеянию поляризованного света на переполяризующихся С*-пленках. Объяснение основных экспериментально наблюдающихся особенностей поведения интегральной интенсивности рассеяния поляризованного света на переполяризующихся С*-пленках является одновременно подтверждением правильности развитой модели переполяризации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Слоистость смектической фазы, проявляющаяся в стремлении смектических пленок иметь толщину кратную (соразмерную) основному периоду смектической решетки, играет решающую роль в обеспечении устойчивости и определении толщины таких пленок.

2. Перегретая свободно-подвешенная смектическая пленка (СПСП) обладает разрывной зависимостью своих упругих свойств от толщины.

3. По достижении критических величин перегрева (критических точек потери устойчивости) СПСП испытывает толщинную неустойчивость. Восстановление устойчивости СПСП происходит за счет ее спонтанного утоньшения.

4. Процесс дискретного изменения толщины перегретой СПСП имеет ярко выраженный монотропный характер (только при нагревании).

5. В окрестности критических точек потери устойчивости ответственным за спонтанное послойное утонынение перегретой СПСП может становиться дислокационный механизм.

6. Явление смектического слоевания имеет объяснение в рамках простой интерфейсной модели, учитывающей только короткодействующее взаимодействие IA-интерфейса с ограничивающей поверхностью и слоистость смектической А- фазы.

7. Температурные позиции слоевых переходов примерно эквидистантны (равнораз-несены) в логарифмическом масштабе приведенной температуры.

8. Слоевые переходы являются фазовыми переходами первого рода и сопровождаются температурным гистерезисом в позициях скачков толщины ССП. Реальные слоевые переходы в переохлажденной ССП происходят с малым температурным гистерезисом по механизму Кана гомогенной нуклеации элементарных круговых критических террас.

9. Смектическое смачивание в режиме смектического слоевания всегда является неполным в экспериментальном масштабе времен. Ответственным за неполноту смектического смачивания является температурный гистерезис в позициях слоевых переходов.

10. Динамика азимутальной переполяризации в переменном электрическом поле тонких смектических С*-пленок, как свободно-подвешенных так и стабилизированных поверхностью, определяется осцилляторным движением ориентационных перегибов.

11. Указанная динамика переполяризации приводит к квазирезонанс- ному поведению интегральной интенсивности рассеяния поляризованного света на переполяризующихся С*-пленках.

12. Диэлектрическая анизотропия, толщина С*-пленок, амплитуда приложенного поля и отклонение от температуры объемного АС*- перехода существенно влияют на динамику переполяризации и на квазирезонансные характеристики рассеяния света.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям и соавторам В.Э. Поднеку, Е.Е. Городецкому, С.А. Пикину и Е.И. Демихову за интересные и богатые физическими эффектами задачи, плодотворные и содержательные дискуссии, постоянную поддержку и участие. Автор также выражает искреннюю благодарность коллективу лаборатории фазовых переходов и критических явлений ИПНГ РАН, творческая атмосфера, дружеская поддержка, содержательные и полезные дискуссии в котором неоценимо помогли в работе.

1. S. Stoebe, P. Mach, and C.C. Huang, Unusual layer-thinning transition observed near the smectic-A-Isotropic transition in free-standing liquid-crystal films / / Phys. Rev. 1.ett. 1994, V. 73, p. 1384-1387.

2. E.I. Demikhov, V.K. Dolganov, and K.P. Meletov, Step-by-step thinning of freestanding films above the smectic-A-nematic phase transition / / Phys. Rev. E, 1995, V. 52, p. R1285-R1287.

3. V.K. Dolganov, E.I. Demikhov, R. Fouret, and С Gors, Free-standing films above the bulk smectic-nematic-isotropic transitions / / Phys. Lett. A, 1996, V. 220, p . 242-246.

4. P.G.de Gennes and J. Prost, Physics of Liquid Crystals, Clarendon Press, Oxford, 1993.

5. P.G.de Gennes, Interactions between solid surfaces in a presmectic fluid / / Langmuir, 1990, V. 6, p . 1448-1450.

6. P. Pieranski et al., Physics of smectic membranes / / Physica A, 1993, V. 194, p . 364-389.

7. P.G.de Gennes, Nematic-smectic A (NA) phase transition. The analogy with superconductors. / / Solid State Commun. 1972, V. 10, p . 753-760.

8. L. Moreau, P. Richetti, and P. Barois, Direct measurement of the interaction between two ordering surfaces confining a presmectic film / / Phys. Rev. Lett. 1994, V. 73, p. 3556-3559.

9. A. Vrij, J .G.H. Joosten, and H.M. Fijnaut, Light scattering from thin Hquid films / / Adv. Chem. Phys. 1981, V. 48, p . 329-395.

10. C.Y. Young and N. Clark, Dynamics of freely suspended lyotropic films. I. An inelastic light scattering study of thermal surface fluctuations / / J. Chem. Phys. 1981, V. 74, p. 4171-4185.

11. A. Bottger, D. Frenkel, J.G.H. Joosten, and G. Krooshof, Smectic ordering in nematic and smectic liquid-crystalline films probed by means of surface light scattering / / Phys. Rev. A, 1988, V. 38, p. 6316-6323.

12. A. Ajdari, L. Peliti, and J. Prost, Fluctuation-induced long-range forces in liquid crystals / / Phys. Rev. Lett. 1991, V. 66, p. 1481-1484.

13. J .-C. Geminard, R. Holyst, and P. Oswald, Meniscus and dislocations in free-standing films of smectic-A hquid crystals / / Phys. Rev. Lett. 1997, V. 78, p . 1924-1928.

14. R.J. Birgeneau, C.W. Garland, G.B. Kasting, and B.M. Ocko, Critical behavior near the nematic-smectic A transition in butyloxybenzylidene octylaniline (40.8) / / Phys. Rev. A, 1981, V. 24, p. 2624-2634.

15. P.S.Pershan, Dislocation effects in smectic-A liquid crystals / / J. Appl. Phys. 1974, V. 45, p. 1590-1604.

16. E.I.Demikhov, S.A.Pikin and E.S.Pikina, Nonlinear switching in surface stabilized ferroelectric liquid crystals / / J. Phys. II (France), 1996, V. 6, p . 753-765.

17. E.I.Demikhov, Stable configyrations of the Director field in plane ferrolectric liquid- crystalline films with free boundaries / / Europhys. Lett. 1994, V. 25, p . 259-264.

18. E.I.Demikhov and H.Stegemeyer, Novel structures of a smectic C* phase with high spontaneous polarisation in free-standing films / / Liq. Cryst. 1995, V. 18, p . 37-43.

19. E.I.Demikhov, Surface and bulk periodical structures in smectic-C films with one free boundary / / Phys. Rev. E, 1995, V. 51, p . 12-15.

20. Е.И. Демихов и A. Пикин, Periodical structures in ferrolectric free suspended films with high spontaneous polarisation / / Письма в Ж Э Т Ф , 1995, т. 61, стр. 666-672.

21. А. Пикин, Е.И. Демихов, Е.С. Пикина и М.В. Горкунов, Нелинейные процессы переполяризации в тонких пленках сегнетоэлектрических жидких кристаллов / / Л О Т Ф , 1997, т. 111, стр. 919-937.

22. E.I.Demikhov, E.Hoffmann, H.Stegemeyer, S.A.Pikin and A.Strigazzi, Modulated structures of the smectic-C* phase in free-standing films with high spontaneous polarization / / Phys. Rev. E, 1995, V. 51, p. 5954-5961.

23. Л.А.Береснев, М.В.Лосева, Н.И.Чернова, Г.Кононов, П.В.Адоменас, Е.П. Пожидаев, Сегнетоэлектрические домены в жидком кристалле / / Письма в Ж Э Т Ф , 1990, т. 51, стр. 457-461.

24. S.A.Pikin, L.A.Beresnev, S.Hiller, M.Pfeiffer and W.Haase, Mol. Mat. 1993, V. 3, p . 1.