Эффекты в нематических редких кристаллах обусловленные поверхностной поляризацией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
Назаренко, Василий Геннадьевич
АВТОР
|
||||
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
Киев
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
1994
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
АКАДЕМІЯ ІІАУК УКРАЇНИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО ЧЕРВОНОГО ПРАПОРА рр0 ■ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ *
# • ¡Іа правах рукопису
І І МЛІ’ нм
Назаренко В;*> иль Генадійовичі
ЕФЕКТИ В ИЕМАТИЧНИХ РІДКИХ КРИСТАЛАХ ОБУМОВЛЕНІ ПОВЕРХНЕВОЮ ПОЛЯРИЗАЦІЄЮ'
01.04.07 - фізика твердого тілн
АВТОРЕФЕРАТ дисертації на спіпшукания вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук
Кяііі - І; 94
Дисертація є рукопис
Робота виконана1 в Ордена< Трудового1 Червоного Прапора Інституті'фізики'АН< України1 ,
Науковий керівник: докторчііізикоіматематичішх ііаук Лаврентович'Олег*Дкіпрович Офіційні опоненти: докторфізико-математіптихнаук, професор Пінксвпчіїгор Павлович кандидат фїзико-математичних наук, старший науковий • співробітіипс . Резніков Юрііі Олександрович -Ведуча органіація: Ііїсггитут! фізики'напівпровідників АН
України; м.' Київ'
Захист відбудеться> “ Л'к”' І9$4 р. в №< годиі},
на засіданні спеціалізованої'Вченої ради % 016.04101 при Інституті физики*АШУкраїни (252650,- <'.Київ^22, проспект Науки,46)
З дисертацією -мйжиа ’ознайомитись' «науковій бібліотеці Інституту фізики АІТ'Укршш.1
АвторефЬратірюзісзіамнйі“^______________________ 1994 р.
Вчений секретар спеціалізованої Ради • кандидат фїзико-математичних наук
П^жонська О.В.
• Загал ьпа характеристика робота
Дшнанііеіьлтіи;
Наука і її досягнення активно впливають на наше життя і тому, як правило, підвищена цікавість до того чи іншого об’єкта означає, що цей об’єкт чи явище представляє собою значнігіі практичний потенціал. Величезні перспективи використання рідких кристалів (РК) для дисплеїв і різного роду засобів відображення інформації безсумнівні [І].
Основою більшості пристроїв, які використовують рідкокристалічні матеріали, служить тонкий, однорідно орієнтований шар рідкого кристалу, розміщений між скляними під-ложками, на які нанесено прозорі електроди. Тому не дивно, що саме ефекти, пов’язані із взаємодією молекул РК і твердої підложки, приковують найбільшу увагу дослідників (2]. Неможливо уявити скільки-небудь значного прогресу в напрямі практичного використання РК без глибокого аналізу таких фізичних характеристик межі розділу нематичннй рідкий кристал (НРК) - тверда підложка, як поверхнева поляризація, енергія зчеплення і адссрбція іонів на поверхні; без виділення найбільш значшіх взаємозв’язків між вказаними параметрами і “робочими” характеристиками рідкокристалічних комірок.
Однак, до цього часу, чітке пояснення полярної орієнтації молекул нематичного рідкого кристалу на твердій гтідложці майже відсутнє. За рахунок складності в інтерпретації, зв’язаної з одночасною участю різних механізмів, безпосередня роль поверхневої поляризації в електрооптичних ефектах розглядалась недостатньо. . , , . . .
Механізм іонної поляризації давно відомий в теорії електролітів, однак,, для рідких кристалів майже немає експериментальних робіт,, де було б розглянуто приповерхневий іонннй шар.
Таким чин*'v., калача вив«гтш ролі поверхневої поляризації в різного роду ефектах в нематичпих рідких кристалах в
З
актуальною і корисною для ціленапраплеіюї розробки нових засобів відображення інформації.
Піль дисертаційної роботи полягає у вивченні ефектів в нематичних рідких кристалах обумовлених поверхневою поляризацією. Визначити кількісні параметри приповерхневого поляризованого шару. Дати характеристику поверхневому іонному шару. Проаналізувати роль подвійних електричній шарів в орієнтаціїіних ефектах, характерних для анізотропних рідин. .
ГТаукоча новизна.
1. Результати досліджень показали, що під дією постійного електричного поля, в гомеотроішо орієнтованих шарах нсматичного рідкого кристалу з додатньою Ле та Да, послідовно розвиваються нестійкості двох типів: статична, зумовлена наявністю поверхневого поляризованого шару, та динамічна, викликана ізотропним слектрогідродитаміч-ним механізмом.
2. Запропоновано тестуючий метод і вперше поміряно вели-
чину поверхневої поляризації та енергію зчеплення в одній і тій самій комірці на протязі одного й того ж експерименту. ;
3. Вперше розроблено модель та експериментально
реалізовано уніполярний електрооптичний ефект в цеитро-симетричному середовищі , яким є нематнчннй рідкий кристал. .
4. Вперше експериментально знайдено взаємозв’язок між концентрацією іонів, адсорбованих підложками, та типом орієнтації НРК в комірках, який проявляється у температурній залежності енергії зчеплення, кута нахилу молекул на поверхні і, навіть, у зміні орієнтації директора під дією температури.
1. Розроблена методика вимірюпання величини поверхневої поляризації та енергії зчеплення в одній і тій самій комірці, на протязі одного й того ж експерименту.
2. Експериментально знайдено новий, уніполярний ефект в иематичному рідкому кристалі, що може бути використано як електрооптичний діод.
3. Показано, що концентрація іонів в рідкому кристалі може суттєво впливати на енергію зчеплення та орієнтацію молекул ГІРК в комірці.
Апрпбпшя роботи.
Матеріали дисертації доповідались на II Всесоюзному семінарі “ Оптика жидких кристаллов” (м. Красноярськ, 17-21
вересня, 1990), на 14а* International Liquid Cystal Conference (Pisa, Italy,1992), на засіданні Рідкокристалічної секції Американського фізичного товариства (Кейт, США, 7-8 Травня, 1993), на V International Topical Meeting on Optic of Liquid Crystals ( Octobcr 4-3, 1993, Lake Balaton, Hungary), на наукових семінарах ІФ АН України ( Київ, 1990-1993), ІФ напівпровідників АН України (Київ, 1990-1993), Мінського Радіотехнічного Інституту (Мінськ, 1990-1993), Raman Research Institute (Bangalore, 1992, India), Liquid Crystal Institute (Kent State University, Kent, 1993, USA).
Достовірність результатні зумовлена контролем точності вимірювань і обчислень па ЕОМ, повторюваністю результатів прп різнотипних дослідженнях, використанням сучасних експериментальних методів, відповідністю експериментальних результатів результатам інших авторіз.
Короткий зміст дк септоні?. '
Частина І косить оглядовий характер. В ній викладені основні результати досліджень структури поверхні немг.тич.югп
рідкого кристалу. Показано основні типи упорядкування молекул НРК на межі розділу з іншою фазою. Основну увагу було звернено на особливості поведінки НРК, які могли б бути обумовлені поверхневою поляризацією.
Частина II присвячена експериментальному вивченню доменних нестійкостей в гомеотрош/о орієнтованих шарах нематичного рідкого кристалу пентилціанобіфенілу (5ЦБ) з додатньою анізотропією діелектричної проникності та питомої електропровідності, які виникають під дією постійного вертикального електричного поля. Показано, що існують два пороги нестійкості Есі і Ес2- Доменні структури в області ЕСІ<,Е<ЕС2 індуковані поверхневою поляризаційною нестійкістю НРК, а в області Е^.ЕЛ - ізотропною електрогщродинамічною нестійкістю.
Досліджувались комірки кількох ’ різних типів, які розрізнялись характером орієнтуючого покриття для гомеотропної орієнтації НРК. При класифікації комірок використовувались такі умовні позначення матеріалу покриття:
In2O^Sn (200 Ojh/q ) - 1, b^OySn (2*106 Om£j ) - 1\
силіконовий еластомер - 2, SiQj - 3. Так,наприклад, d позначенні 1/1 цифри означають матеріал покриття, à похила лінія -шар рідкого кристалу. В таблиці 1 приведені значення порогів виникнення статичних (Ес{) та електрогіцродинамічних (ЕГД) НеСТІЙКОСГеЙ (Etfh
В змінних низькочастотних електричних поляк поріг виникнення статичних доменів зростає пропорційно / |5].
В п.1, III частини приведено срзультати експериментальних досліджень полярного електрооптичного ефекту методом одночасної дії постійного та змінного високочастотного електричних полів. .
Комірка І2СІ, 105І? / Л/ Ес2,105В/‘і(
Анод Катод
1 1 0,6 1,0
1 1’ 0,6 1,0
1’ 1 >1,4 >1,4
12 21 0,12 1,2
12 231 0,8 1,7 ;
132 21 У, 8 2,і ;
{3] С.6 >0,6 !
Ж -- 1,6
ТаблД. Значення порогових напруг виникнення статичних (Есі) та гідродинамічних (Ес2) нестійкостей в комірках різного типу в постійному електричному полі.
Можна сподіватися, що присутність змінного високо’.ас-тотного електричного поля не змінює критачну напругу інжекції носіїв заряду, а, таким чином, і поріг електрогід-родинамічної нестійкості. З іншого боку, якщо істинна причина відхилень директора від початкової орієнтації є поверхнева поляризація, то відповідний поріг постійного електричного поля має збільшуватись із збільшенням величини змінного поля. - ' - . -
Незважаючи . на те, що стабілізуюча роль змінного і пості Гшо'го полів схожа, їхня дестабілізуюча роль-суттєво відмінна. Якщо частота: додаткового змінного подя досить
висока, то не буде лінійних флексоадектричного ( - Р^Е ) та
ттовгрхлгиого поляризаційного ( РаЕ) вкладів, за’язарих а цим полен [6]. Таким чином, тільки дестабілізуючий момент.
зв’язаний з дією постійного електричного поля, може розглядатися в даній ситуації: {-е*Е^с )9, , де е = е1 +е3 +|І>| .
Тоді, баланс поверхневих моментів, для невеликих кутів 0, відхилень директора відповідно до вертикальної осі, запишеться як "
К К К - ■ - Л ,
( ад9^ = ° > (1) Час ЧсІс " * ,
, к . „ „ ; -
де X/ = — - екстраполяційна довжина, сас, с^с -довжини
когерентності, зв’яні із стабілізацією зовнішніми змінним та постійним, відповідно, електричними полями. !
Звідси знаходимо поріг поверхневої полярної нестабільності:
Е _______________к ■ [Едс| і 2
ас',Ь е* — (Д є / 4тг)1/2 (4яЯ / Ае),/2 і' ’
Поведінка в залежності від Еас дає можливість (
вирахувати І, порівнюючи Е^сд для кількох і
= 0 , і тоді виділити з цього величину е*\ .
,(4і^/Де)І/2 „
¿-а п о >
І/,*.
е* -^АєК/4я
да
(4)
тгО . ...
де ¿/¿с - поріг виникнення статичних доменів у відсутності змінного поля. . .
Користуючись даними з мал.1, і топічними величинами 5ЦБ при кімнатній температурі А є = 14 та К = 0,8 * ІО-<5 дии., знаходимо для межі розділу 5ЦБ - Ь^О^.Вп Ь ~ 1,7
- ч у ’
мкм, що відповідає IV = 4,7*10” срг/см Для підложки, покритої силіконовим еластомером, Ь = 1,3 мкм і,
відповідно, Т¥ = б* 10 ерг/см .
иае,(У)
о ,д-2 КГц
,ч ,А- 20 КГц
1.
1/^ао
1. 5ЦБ - Силіконовий еластомер
2. 5ЦБ- Іп20у8а
Мал.1. Порогом напруга (/¿сд шшикнення поверхневої
полярної нестабільності, як функція прикладеного змінного поля. Дані відповідають двом зразкам з різним поверхневим покриттям і двом різним частотам змінного електричного поля.
: 4>
Аналогічно, з рівняння (4) знаходимо с :
е = 4 '• 10''3 дин/'" лля.мсжз розділу 5ІДБ - іп?ОуЗп\
1/2
П.2, Ш частини присвячений дослідженню уніполярного електрооптичного е<1>екту в пематичному рідкому кристалі.
Показано, що злам симетрії па поверх* ч включає дві можливості: голівки молекул исматика орієнтовані в напряму до підложки, або ж в напрямку об’єму. Таким чином, використовуючи дві иідложкн з різною спорідненістю до хвостів та голів рідкокристалічних молекул, можна сконструювати таку комірку, ле молекули ИРК всюди мають гомеотронну орієнтацію, а напрями поверхневих поляризацій на різних поверхнях спіщіадаїоп ■( мал.2). '
І
д
<?>
І
ІШІ
т
В
Рл з ш
Ра*
*тгт
Мал.2. За рахунок різної орієнтації поверхневих поляризацій на на двох піддожках, можна чекати два стани в гомеотропнш комірці: однорідний стан, коли електричне поле направлене вздовж напряму поверхневих поляризацій, і викривлення директора при оберненому значенні поля.
Коли зовнішнє електричне поле направлене вздовж цього напряму, нестабільність не виникає. Б’іншому випадку, тобто
при зворотній полярності Е, поверхневі шари нематику повинні відхилятися, щоб зменшити енергію взаємодії
електричного поля та поверхневої поляризації
На малюнку 3 показано, що при одній полярності прикладеного електричного поля виникають деформації оптичної осі І-ТРК, в той час, як для протилежно направленого поля, при іій самій напрузі, комірка залишається гомеотропно орієнтованого і, практично, не прозорою між скрещеними поляризаторами.
С частині IV представлено результати досліджень зміни орієлтації в комірці з нематичшш рідким кристалом С7//|5(С'(5її^)N2 (С^//4)С-)Ні5 , молекули якого мають нульові дипольні моменти. Поверхня підложок покривалась диматшщнхлорсиланом, (СН^&СЬ > коРоткі метилові групи якого не мають рівнів ілюбоди для поліморфізму. Температура переходу під однієї орієнтації до іншої досить добре сепарована від ЦІ факти дозволяють відразу відкинути всі відомі доці.і_л> часу моделі, які могли б описати зміну орієнтації в нематику [2].
В роботі показано, що результати експерименту (мал .4-5) можна описати як результат балансу між орієнтуючими тенденціями самої підложки та , подвійних електричних, шарів
т- : ■
Так, якщо дві неоднакові фази, одна зяких є електроліт, знаходяться в контакті одна з одного, то на межі розділу між ними розвивається подвійний електричний шар. Формування його проходить за рахунок акумуляції іонів одного знаку на
даній поверхні. Результуюче пов<-шсвс електричне поле Е5 завжди, направлене по нормалі до поверхні і локалізоване на товщині, рівній Дсбаївській довжині екранування, ¿о-
Мал. 12. Гомеотроіша комірка з 5ЦБ (товщина 36 мкм) між двома скрещеними поляроїдами: (а) непрозорий початковий стан (гомеотропна орієнтація); (б) прозорий стан, який виникає продній полшярності електричного поля при напрузі І/ - 3,3V; (в) непрозорий стан, II — —3,3V.
о •/
8 § о
" о
•0~0~0~0~0~0~*0' ~ ......
303 310 312 314
Температура, К
Мал.4. Температурна залежність кута нахилу 0 в немапгчній комірці.
Діелектрична взаємодія між Е3 та Я вносить додатковий вклад до поверхневої вільної енергії:
/еса-~~Що\пк)2 , (5)
4є0є • ,
де Еа =є |~є± ■ діелектрична анізотропія, а - поверхнева густина зарядів, (пк)2 = со^О , є = є |соз2о+е^соз20 , 80 -діелектрична константа.
В нашому віпадку га > 0 і поле Ех має тенденцію орієнтувати Гі по нормалі до поверхні. Більше того, подвійні електричні шари можуть впливати на хід температурної зміни
10 '
9 ■
8 ■
7 '
в 1
8 •
4 -
3 •
2 •
1 • •
оО-
303
Температура, К
Мал.4. Температурна залежність IV.
■ к . орієнтації, коли Е$ (оскільки це поле завжди направлено перпендикулярно до поверхні) змагається з протилежною тенденцією підложки установити планарну або похилу орієнтацію РК. . „ - ,
В чистому вигляді поверхнева енергія /д може бути представлена в термінах теорії Ландау-де Жена, як розклад до . другого порядку скалярного'параметру порядку 5 в нематику: '
/« = (Рі£-М2ХЯ£)Чр352(й*>4 ’ (6);
[). - константи.
Густина повної поверхневої енергії / = /? 4- слідує із рівняннь (5 - 6):
/ = (Ріі5~Р1252)(^)2 + р2252(^)4 , (7)
ще еквівалентно рівнянню (6), але з коефіцієнтами, перенормованиші поверхневим електричним полем:
Рі1 = Рі“Р&й; Р12=р2+ареЛ Р22-Рз+3аРвЛ'2Е> Р«Я~ ^-2 » <8>
де а-соті.; є = е |/3+2є^/3 . .
Детальній аналіз рівняішя (7) поктзує, що в околі Тс , залежність 0(7*) можна описати простим степеневим законом:
Користуючись цією моделлю, можна знайти :
ІГ(Т)=[а {рі2-| Рв)-а Ри’К] . (10)
' ' ' Т -*Т ' • • ' ’ * ‘
<<\гТй> ТШі босоти , ,
■ 0 - ■' ' Експериментально ми можемо оцінити рц, р|2 , Р22 ПРИ 2^ = 340ЯГ, Да=1,4 ,є«0,4 ,£«0,6 :
р22 = 1,7* І О-6 Дж/м2 ; р12 = 7,2 »КГ6 Дж/м2,
Ч ■■
Висновки.
1. Під дією постійного електричного поля в гомеотроино огієнтованих шарах нематичного рідкого кристалу з
додатніми А е та А а послідовно розвиваються нестійкості двох типів і, відповідно, існують два пороги нестійкосте» Есі і ЕС2- Доменні структури в області Есі< Е < Ес2 індуковані поверхневою поляризаційною нестійкістю ІІРК, а в області Е > Ес2 - ізотропною електрогідродниамічною нестійкістю.
2. В змінних низькочастотних електричних полях, поріг ви-иикнення поверхневих поляризаційних доменів зростає
пропорційно .
3. Прикладаючи вертикальне змінне електричне поле до гоме-отропно орієнтованого шару 5ЦБ, спостерігається діелектричне зникнення полярної нестабільності, викликаної постійним електричним полем. Це виражається п лінійному збільшенні порогу нестабільності із збільшенням напруги змінного поля. Дані експерименту доповнюють попередній висновок про природу полярної нестабільності в нема-тичних рідких кристалах.
4. Запропонований метод одночасної дії постійного і змінного високочастотного електричних полів дає можливість одно-
• часно вимірювати величину поверхневої поляризації та енергію зчеплення в одній і тій самій комірці, на протязі одного й того ж експерименту.
5. Знайдено новий уніполярний електрооптичний ефект, який заключается у виникненні відхилень директора в нематич-ній комірці тільки при певній, полярності прикладеного постійного електричного поля.
6. Тип орієнтації НРК сильно залежать віч концентрації іонів, акумульованих підложкамй п процесі приготування комірок.'; В нематичних комірках ці іони створюють поверхневе електрична поле, яке завжди направлено перпендикулярно
до підложки. Проста модель рівновага між двома протилежними орієнтуючими тенденціями, поля подвійних електричних шарів та чистої підложки, добре узгоджується з експериментом, де спостерігається зміна орієнтіції молекул під дією температури.
Основні результати роботи викладені в тезах конференцій і в
таких роботах:
1. Назаренко В.Г., Серган В.В., Сорокин В.М. О механизмах полярного элекгрооптического эффекта в гомеотропных слоях нематика. Тези II Всесоюзного семінару “Оптика жидких кристаллов”, м. Красноярськ, 17-21 вересня, 1990.
2. Лаврентовігх ОД., Назаренко В.Г., Семешіст В.Н., Серган В.В., Сорокин В.М. О механизмах доменных неустойчивостей гомеотропного слоя нематика с положительной диэлектрической анизотропией в постоянном электрическом поле. УФЖ. т.3б, N2, 1991, с. 222-231.
3. Лавреитопич О.Д., Назаренко В.Г., Пергаменщик В.М., Серган В.В., Сорокин В.М. Поверхностный поляризационный еффскт л нематическом жидком кристалле. ЖЭТФ. т.99, вып.З. 1991, с. 777-802.
4. Lavrentovich O.D., Nazarenko V.G., Sergan V.V. and Durand G. Dielectric quenching of the surface polarization instability in a nematic liquid crystal. 14th International liquid crystal conference. Abstracts. 1992. Pisa. Italy.
5. Lavrentovich O.D., Nazarenko V.G., Sergan V.V. and Durand G.
Dielectric quenching of the electric polar surface instability in a nematic liquid crystal. Phys.Rev./ V.45.N10, 1992, pp. R6969-R6972. .
6. Nazarenko V.G., Himmcr Ph. and Lavrentovich O.D. Anchoring transition and selective ion absorption in a nematic cell. Spring meeting, of the Ohio Scction American Physical Society. Abstracts. May 7-8, 1993. Kent. USA.
7. Nazarenko V.G. and Lavrentovich O.D. Anchoring transition and selective ion absorption in a nematic electrolyte. V International
Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. Abstracts. October 4-8. 1993. Lake Balaton. Hungary.
8. Nazarenk" V.G. and Lavrentovich O.D. Anchoring transition in a nematic liquid crystal composed of centrosymmetric molecules. • Phys.Rev.E. v.49. N2, 1994, pp. 288-293.
9. Nazarenko V.G. and Lavrentovich O.D. Liquid crystal electro-
optical diode. US Patent. 1994. .
Цитована Литература. .
1. Блинов JI.M. Электро- и магнитооптика жцдких ’кристаллов.
М: Наука, 1978, с. 386. .
2. Blandine Jerome. Surface effects and anchoring in liquid crystals. Rep.Prog.Phys. v.54, 1991, pp. 391-451.
3. Monkade М., Martinot-Lagarde Ph. and Durand G. Electric surface polar instability in nematik liquid ccystals. Europhys.Lett. v.2, N4. 1986, pp. 299-305.
4. Nakagava М., Akahane T. A new tipe of electrohydrodynamic instability in nematic liquid crystal with positive dielectric anisotropy. I. The existence of the charge injection and diffusion current. J.Phys.S.Jap. v.52, 1983, pp.3773-3782.
5. Лаврентович ОД., Назаренко В.Г., Перкшенщик В.М., ,, Серган В.В., Сорокин В.М. Поверхностный поляризационный еффект в нематическом жидком кристалле. ЖЭТФ. т.99, вып.3.1991, с. 777-802.
6. Lavrentovich O.D., Nazarenko V.G., Seigan V.V. and Durand G.
Dielectric quenching of the electric polar surface instability in a nematic liquid crystal. Phys.Rev.A. V.45.N1G, 1992, pp. R6969-R6972. : ' . '
7. Nazarenko V.G. and Lavrentovich O.D. Anchoring-transition in a
nematic liquid crystal composed of-centrosymmetric molecules. Phys.Rev.E. v.49. N2, 1994, pp. 288-293. .