Электрооптика ориентированных слоев сегнетоэлектрических жидких кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

государственный комитет российской федерации эгк од по высшему образованию

московская государственная академия , . ; приборостроения и информатики

На правах рукописи

ВОРФЛУСЕВ Валерий Петрович

УДК 548.0:532.783

ЭЛЕКТРООПТИКА ОРИЕНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва —

1995

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

ВОРФЛУСЕВ Валерий Петрович

УДК 548.0:532.783

ЭЛЕКТРООПТИКА ОРИЕНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Специальность 01.04.07-физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1995

РаСотв выполнена в Государственном Научном Центре РФ НИОПИК

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник В.Г.Чигринов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.А.Беляков

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник С,В.Пасечник

Ведущая организация: Институт кристаллографии РАН

Защита диссертации состоится " 1995г. в на

заседании диссертационного Совета К.063.93.02 при Московской Государственной Академии приборостроения и информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАЩ Автореферат разослан " ¡ООлТ^ 1995г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К.0В3.93.02 кандидат физико-

математических наук В.А.Баландин

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегнетоэлектрические смектические С жидкие кристаллы (С ЖК) [1] наряду с нематическими ЖК (НЖК) и антисегнетоэлектрическими ЖК (АС*ЖК) [2] являются перспективным классом сред для использования в устройствах отображения информации [3,4]. Каждый из перечисленных классов имеет свои достоинства и недостатки в контексте указанных применений. Наиболее важными преимуществами рассматриваемого ниже линейного электрооптического (ЭО) эффекта в С*ЖК [5], например, для экранов с матричной адресацией, являются высокое быстродействие в электрооптическом отклике на внешнее электрическое поле (единицы микросекунд) и бистабильность (наличие бистабильности позволяет, в принципе, адресовать неограниченно большое количество строк матрицы без понижения контраста изображения экрана). Как следствие преимуществ, С*ЖК обеспечивают высокую скорость смены изображений, иирокие углы обзора, возможность пассивной матричной адресации большого количества строк и возможность запоминания изображений без приложения внешнего напряжения [4]. Указанные достоинства послужили стимулом для многочисленных работ в областях фундаментальных и прикладных исследований С*ЖК. Были продемонстрированы [з,4] успешные применения С*ЖК в экранах компьютерных и телевизионных мониторов, модулирующих линейках ЖК принтеров, решающих устройствах оптических вычислительных машин, оптически управляемых модуляторах и т.д. В то же время эти работы выявили ряд проблем, которые не позволяют в полной мере использовать преимущества С ЖК.

К ним относятся потеря бистабильных свойств в оптимальных для быстродействия условиях, трудности в одновременной оптимизации быстродействия и контрастных характеристик и в получении качественной ориентации С*ЖК. Дополнительной проблемой отдельных применений является то, что геометрия линейного ЭО эффекта не обладает "встроенной" способностью к генерации шкалы серого.

Указанные проблемы определяются геометрией линейного ЭО эффекта, необходимостью выбора определенных величин параметров

С*ЖК и взаимодействием с*жк с поверхностью, которое в настоящее время недостаточно изучено на Фундаментальном уровне. Мало исследованы составляющие этого взаимодействия (отсутствуют иследования корректности задания пе.! орхностных взаимодействий в форме Рапини [б] и методы измерения соответствующих коэффициентов жесткости), их взаимовлияние и проявление в физических свойствах С*ЖК образцов. Не разработаны способы управления величиной взаимодействия С*1К с поверхностью. Недостаточно изучено влияние граничных и внешних условий на процесс формирования структуры смектических слоев Бтс* фазы, на распределение директора внутри смектических слоев и на устойчивость би-стабильного и моностабильного откликов С*ЖК.

Выше перечислены лишь некоторые фундаментальные и связанные с ними прикладные проблемы в области С*ЖК. Общность этих проблем в С*1К и в других меэофвзах, например АС*КК, перспективы применения других ЭО эффектов в 0 3' и успешные первые

*

применения линейного ЭО эффекта в С КК делают актуальным проведение исследований, направленных на решение стоящих в настоящее время проблем.

Цель работы: исследование электрооатических свойств ориентированных образцов С*Ж!С и определение и изучение основных параметров взаимодействия С*ЖК с поверхностью, влияющих на эти свойства. На основе полученных результатов предполагалось показать возможности применения С*ЖК в устройствах отображения информации с высоким информационным содержанием.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально показана возможность индуцирования кираль-ной смектической С фазы в смеси немезогенных и содержащих только нематическув фазу веществ;

2. Экспериментально показано, что используя полярные свойства ограничивающей поверхности с малым углом преднаклона директора С*ЖК (0.2°) может быть получена моношевронная структура смектических слоев;

3. Экспериментально определена величина коэффициента жесткости, описывающего азг,:утальнув энергию связи С*ЖК с подложкой;

4. Экспериментально показано, что энергия связи С*ЖК с подложкой определяет наклон смектических слоев в шевронной структуре относительно нормали к подложкам;

5. Впервые обнаружено восстановление бистабильных свойств .тонких (с1=1.5мкм) С*ЖК ячеек с большой величиной спонтан-

. ной поляризации Ре после их деградации в моностабильные; предложена модель, объясняющая указанное поведение;

6. Предложена новая геометрия линейного электрооптического эффекта в С*Ж на основе легирования поверхностно-активным веществом (ПАВ) слоев ориентанта и, как следствие, возникающей асимметрии распределений директора С*ЖК в ячейке.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработаны новые смесевые С*ЖК материалы, обладающие различными последовательностями фаз (зтс*-зтА-н -I, гтс -втА-ь 8тс*-ы*-х) и управляемыми основными параметрами, что позволяет использовать эти материалы в различных прототипных С*ЖК устройствах;

2. Разработаны смесевые составы ориентантов, позволявшие получить угол преднаклона вр молекул ЖК у поверхности при натирании ориентанта в диапазоне 0.2о<вр*90о, фотоиндуцирован-ную ориентацию ЖК и бездефектную ориентацию С*ЖК на большой площади (десятки квадратных сантиметров);

3. Экспериментально показана возможность применения полученных результатов для изготовления матричных С*ЖК экранов с пассивной адресацией в условиях технологии, применяемой для сборки нематичесхих твист и супертвист экранов;

4. Предложен метод матричной адресации, позволяющий в условиях новой геометрии линейного ЭО эффекта получить генерацию аналоговой шкалы серого в пределах одного пикселя С*ЖК матрицы, каждая строка которой в предложенном методе адресуется за два такта.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Структура поверхности ориентанта определяет долговременное наличие или отсутствие бистабильных свойств С*ЖК ячеек;

2. Энергия связи С*ЖК с поверхностью является одним из основных факторов, определяющих наклон смектических слоев отно-

сительно нормали к подложке; 3. Моностабильный отклик С*КК с малой величиной спонтанной поляризации Ре~5нКл/см2 определяется взаимодействием спонтанной поляризации С*ЖК с внутренним электрическим полем, созданным ионами ПАВ, находящимися в слое оризнтанта. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 3-й Международной конференции по Сегнетоэлектрическим Жидким Кристаллам, Болдер, США, 1991г.;

~ 14-й Международной конференции по Жидким Кристаллам, Пиза, Италия, 1992г.;

- Европейской конференции по Жидким Кристаллам, Флимс, Швейцария, 1993г.;

- 4-й Международной конференции по Сегнетоэлектрическим Жидким Кристаллам, Токио, Япония, 1993г.;

- 15-й Международной конференции по Жидким Кристаллам, Будапешт, Венгрия, 1994г.;

- 5-й Международной конференции по Сегнетоэлектрическим Жидким Кристаллам, Кембридж, Англия, 1995г.;

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатных работы. Список опубликованных работ приведен в конце реферата.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 160 машинописных страницах, включая 57 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 140 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность решаемых в диссертационной работе вопросов. Указаны основные преимущества С*КК перед другими типами ЖК в контексте возможных применений и-основные проблемы фундаментального и связанного и ними прикладного характера, стоящие на пути широкого применения С ЖК в устройствах с высоким информационным содержанием. Также сформулированы основные цели работы и дано краткое описание глав диссертации.

в

В первой главе содержится обзор литературных данных по физическим и электрооптическим свойствам ориентированных образцов С*ЖК. В первом параграфе описаны основные физические свойства С*ЖК. В основу описания положена теория Ландау фазовых переходов второго рода. Также приведены способы феноменологического описания объемной упругой энергии С*ЖК и форм различных видов взаимодействия С*Ж-поверхность. Рассмотрены основные уравнения динамики С*ЖК. Перечислены способы получения направлений легкой ориентации в С*Ж ячейках.

Во втором параграфе рассматриваются ЭО свойства С*ЖК в случае, когда смектические слои перпендикулярны подложкам ячейки. Показано влияние на ЭО отклик параметров С*ЖК материала и ячейки (спонтанная поляризация С*ЖК Р , вращательная вязкость Тр, диэлектрическая анизотропия Ае, оптическая анизотропия ¿п. угол преднаклона молекул 0*ЖК у поверхности подложек в , величина зазора в ячейке а). Рассмотрена модель, описывающая деградацию бистабильных свойств С*ЖК в моностабильные.

В третьем параграфе рассмотрены ЭО свойства С*ЖК с шевронной структурой смектических слоев. Дан способ аналитическо- ' го описания шевронной поверхности раздела. Приведены данные, согласно которым изменение угла преднаклона в^ определяет распределение директора С*ЖК вдоль смектического слоя. Приведены классификация шевронных состояний, различия между ними и способы получения этих состояний. Описаны процесс формирования текстурных дефектов в С*ЖК ячейках при действии низкочастотного электрического поля и различные режимы переключения С КК в зависимости от величины приложенного поля. Кратко рассмотрены способы получения увеличенных значений углов преднаклона е

В четвертом параграфе обобщены различные геометрии линейного ЭО эффекта [5], которые могут быть использованы в С*ЖК устройствах и требования к С*ЖК материалам и ориентантам для реализации соответствующих геометрий. Также рассмотрены способы генерации уровней серого в С*ЖК устройствах с матричной адресацией.

Вторая глава. Объекты и методы их исследования.

В первом параграфе приводятся результаты исследований по

разработке С*ЖК материалов.

Показано, что при проведении исследований ЭО свойств С*ЖК требуются С*ЖК материалы, с параметрами, изменяемыми в некото-, ром диапазоне значений. Поэтому был разработан ряд новых С*ЖК .материалов с температурным диапазоном втс* фазы порядка 5-55°С, представляющих собой смеси фенилпиримидиновых матриц и имеющихся и вновь синтезированных оптически активных добавок (ОАД). При физических исследованиях ОАД основное внимание уделялось проблеме компенсации геликоидальной закрутки в смекти-ческой С* и холестерической фазах С*ЖК материалов и одновременного получения требуемых значений спонтанной поляризации Рд С*ЖК. Разработанные С*ЖК материалы условно можно разделить на два класса. Первый класс (ЖКСМ-1001, ЖКСМ-1005)- С*ЖК с высокими значениями спонтанной поляризации Рз (Р >60нКл/см2) и отсутствием холестерической фазы. Особенностью этих материалов является отсутствие компенсирующей геликоидальную закрутку добавки, что позволяет достичь малых значений вращательной вязкости С*ЖК, причем ЖКСМ-1001 не образует смектического геликоида в ячейках с скЗ.бмкм.

Второй класс (ЖКСМ-1008 и его аналоги) - С*ЖК материалы с управляемой величиной спонтанной поляризации Рз в диапазоне 0-45нКл/см2 и холестерической фазой с шагом соответствующего геликоида не менее Юмкм в области перехода в этА фазу. На основе исследований этого класса материалов построена номограмма, позволяющая определять концентрации закручивающей и компенсирующей ОАД для требуемой величины спонтанной поляризации с*ЖК материала.

В данном параграфе также приведены результаты исследований нового способа конструирования С*КК-маториалов путем смешивания немезогенных ОАД с нематическими матрицами. Из приведенных данных следует, что таким методом могут быть получены С*ЖК материалы с различными последовательностями фаз, значениями спонтанной поляризации Ре>Ю0нКл/см2 и быстродействием порядка Юмкс.

Во втором параграфе рассматриваются материалы и методы, применяемые в данной работе для ориентации С*КК.

При исследовании ЭО свойств С*ЖК необходимо иметь достаточно хорошую однородность текстуры С*ЖК. Однако, традиционно используемые для ориентации НЖК материалы в случае С*ЖК часто дают текстуру, содержащую большое количество дефектов. Поэтому возникает задача разработки специальных ориентантов, обеспечивающих в случае С*ЖК моношевронную структуру смектических слоев и требуемое распределение директора С*ШК в смектическом слое. В случае перестраиваемой электрическим полем структуры смектических слоев в качестве ориентантов использовались традиционные растворы поливинилового спирта (ПВО) и полипиромел-литамидокислоты (ПАК). Лля получения моношевронной структуры смектических слоев разработаны ориентанты путем смешивания ПАК с сополимером тетрафторэтилена и винилиденфторида (0Р1) и хро-моланом (0Р2). С использованием НЖК 5ЦБ показано, что 0Р2 воспроизводимо обеспечивает угол преднаклона вр молекул ЖК в диапазоне 2°-90° в зависимости от условий натирания и получения пленки ориентанта. Ориентирующие слои получались на центрифуге с диапазоном скоростей вращения 3000-7000об/мин. Как один из способов получения поверхностно-анизотропной пленки ориентанта применялось "мягкое" и "жесткое" натирание с изменяемым числом натираний n. В случае "жесткого" натирания давление на поверхность составляло примерно 5Н. а при "мягком" - на три порядка меньие. В качестве другого способа получения поверхностной анизотропии применялось облучение пленок ориентанта УФ излучением, дающее фотоиндуцкрованную ориентацию С*ЖК без применения натирания. Для этого были разработаны ориентанты ОРЗ и 0Р4 на основе смесей ПВО с азокрасителем и ПАК с бифенилом соответственно. Получаемые этим способом значения вр составляют 0.2°. Ориентанты ОРЗ и 0Р4 позволяют получать ориентацию ЖК также при натирании.

При изучении полярных свойств слоев ориентанта 0Р1 поверх пленки 0Р1, полученной описанным выше способом, напылялись тонкие слои алюминия, служившие вторым электродом.

В третьем параграфе описаны методы исследования 30 свойств ориентированных образцов С*ЖК. Лля этой цели собирались ячейки, состоящие из подложек с нанесенными ориентирующими

сдоями, разделенных калиброванными тефлоновыми прокладками или полимерными сферами заданного диаметра, наносимыми на поверхность одной из подложек. Эти способы позволяют изменять величину зазора в ячейке в диапазоне 1.0<с1<20мкм. С*ЖК заполнялся в ячейки в изотропной фазе. Охлаждение ячеек проводилось в естественных условиях или в термостате с регулируемой скоростью охлаждения' образцов.

Весь экспериментальный материал получен на установке на базе поляризационного микроскопа с возможностью измерения ЭО отклика с требуемого участка текстуры с малой площадью. Особенностью схемы управления С*ЖК ячейкой является разработанный и изготовленный трехвходовый сумматор напряжений, позволяющий получать от синхронизированных генераторов различные формы напряжения. Измерения значений углов преднаклона вр проводились с использованием НЖК 1281 и 5ЦБ по методу вращения кристалла или в гибридных НЖК ячейках измерением эффективного дву-лучепреломления и последующем расчете е

Третья глава. Электрооптика С*ЖК и структура смектических слоев.

В первом параграфе рассматриваются ЭО свойства ориентированных образцов С*ЖК со структурой смектических слоев, перпендикулярных подложкам. Исследуется случай, когда такая структура получается из более общей, шевронной, под действием низкочастотного (Ю-ЮОГц) электрического поля. Рассмотрен процесс построения указанной структуры. Предложена модель получающейся в итоге структуры смектических слоев, в которой текстура С*КК состоит из чередующихся полос. В каждой полосе смектические слои перпендикулярны подложкам, а нормали к смектическим слоям в соседних полосах отклонены на угол 2«. Экспериментально были измерены толщинные зависимости угла <* и полуширины и полос, причем зависимость «Сс1) не согласуется с зависимостью, следующей из предложенной ранее [4] геометрической модели перестройки смектических слоев. Показано также, что помимо геометрического фактора, перестройка слоев может быть обусловлена процессом, аналогичным азимутальной электрогидродинамической неустойчивости в НЖК [7].

Описанная текстура ограничивает контраст К ориентированных образцов С*ЖК, значение которого выражается формулой

К=31П240/31П22<1 (I)

где в-угол наклона молекул в смектическом слое. Исследовано соответствие рассчитанных и экспериментально измеренных значений контраста К.

Исследовано также влияние толщины слоя ориентанта на динамику образования смектического геликоида при шаге геликоида в этс* фазе, меньшем величины зазора в ячейке, р0<ь. [2], и на ширину петли гистерезиса стабилизированных поверхностью образцов С*ЖК [5]. Показано, что при уменьшении толщины слоя ориентанта ниже значений порядкэ ЮОХ значительно увеличивается время образования смектического геликоида, а ширина петли не меняется. Увеличение толщин ориентанта выше 1008 приводит к сужению петель гистерезиса. Полученные данные объясняются экранированием слоем ориентанта дисперсионных сил подложки.

Во втором параграфе рассматриваются ЭО свойства ориентированных образцов С*ЖК с моношевронной структурой смектических слоев (отсутствуют слои с противоположным направлением изгиба). В качестве С*ЖК материала использовался ЖКСМ-1008 с величиной спонтанной поляризации Рз=5нКл/см2. В качестве ориентан-'та использовалась описанная в главе 2 смесь 0Р1. Показано, что свойства этс* фазы, такие как качество текстуры и угол памяти практически не зависят от условий натирания пленки 0Р1, скорости охлаждения ячейки и величины приложенного низкочастотного поля. Моношевронность ориентации С*ЖК в данном случав приписывается слабовыраженным сегнетоэлектрическим свойствам полимерной пленки ориентанта 0Р1, поскольку угол преднаклона ер=0.2° ориентанта 0Р1 в соответствии с существующей моделью [в] не может обеспечить получаемую моношевронность структуры смектических слоев. Указанные свойства пленок 0Р1 подтверждаются также увеличенными значениями низкочастотной диэлектрической проницаемости и слабовыраженными петлями гистерезиса этих пленок в сравнении с пленками чистой ПАК. Исследования ЭО свойств С*ЖК с использованием пленок 0Р1 показали, что в С*ЖК ячейках реализуется иеврон С1 [в] с однородной ориентацией

директора С*ЖК вдоль нормали к подложкам при малой величине зазора в ячейке (с^мкм). Исследованы зависимость эффективных углов экстинкцйи при приложении поля и бистабильные свойства моношевронных ячеек. Показано, что при угле экстинкции 3® =11° бистабильный отклик может быть получен при минимальной длительности управлявшего импульса в единицы микросекунд.

Глава четыре. Электрооптика С*ЖК и поверхность раздела С*ЖК-ориентант.

В первом параграфе теоретически и экспериментально рассматривается способ определения коэффициента жесткости у^, описывающего дисперсионное взаимодействие С*ЖК-ориентант в случае смектических слоев, перпендикулярных поверхности. Показано, что это взаимодействие является единственным фактором,' обеспечивающим существование бистабильных свойств С*ЖК, откуда следует важность разработки способа измерения у^.

Включая в выражение для плотности свободной энергии С*ЖК ячейки взаимодействие внешнего поля и спонтанной поляризации. Р С*ЖК, а также выражение в форме Рапини [б] для дисперсионного поверхностного взаимодействия, получаем из условий статического переключения С*ЖК. прямоугольность петли гистерезиса и величину коэффициента у^:

*<ГиСР8/8 (2)

где и - ширина статической петли гистерезиса.

Экпериментально измерены петли гистерезиса в компромисных по частоте приложенного напряжения условиях между статичностью и экранированием внешнего поля ионами из объема С*ЖК. ■ Измеренные значения ис дают величину »^=0.1 Эрг/см2. Перечислены также основные факторы, влияющие на измерение ис и не включенные в модель. Это движение доменной стенки в процессе переключения С*ЖК, влияние на скорость движения стенки в режиме малых полей текстурных дефектов, в том числе возникающих при построении слоев, перпендикулярных поверхности, и нестатичность условий измерений. Показано, что упомянутые выше факторы приводят к уширению петли ис и играют роль систематической погрешности. Поэтому модель может использоваться для определения других составляющих взаимодействия С*ЖК-поверхность, не зависящих от

величины ис-

Во втором параграфе теоретически и экспериментально рассматриваются способы определения коэффициента жесткости иа, описывающего азимутальное взаимодействие С*ЖК-ориентант.

Во время переориентации директора С*ЖК по поверхности смектического конуса изменяются как угол т между плоскостью подложки и направлением директора п, так и угол Ф между направлением легкой ориентации я в ячейке и направлении директора п. Также, как результат построения смектических слоев, перпендикулярных подложкам, внешним электрическим полем, в текстуре С ЖК ячейки имеются области с различными значениями угла а между направлениями и и нормалью к смектическим слоям, рис Л а.

Рис. I а-Асимметрия положений директора после построения смектических слоев, перпендикулярных подложкам. б-Зависимость сдвига петель гистерезиса *ис от угла а между направлением легкой ориентации в ячейке Й и нормалью к смектическим слоям Й.

?

Из геометрической модели С*ЖК директора на смектическом конусе выражение для поверхностной азимутальной энергии ра на единицу поверхности с учетом количества т поверхностей, имеющих направления легкой ориентации, имеет вид

Ра=тИав1п2Ф=тМа8-1п2(агсЪдидесозФ )*« ) (3) '

Показано, что для областей с а¿о ширина петли ис равна:

ис=8СМ<г0.5т*ае2)/Р5 (4)

и не меняет значения при изменении величины а, в то время как меняется положение центра петли на величину Дис, которая с учетом (3) составляет:

¿ис=-4тРНа6/Р8 (5)

Уравнение (5) дает способ определения коэффициента у/а путем экспериментального измерения зависимости ¿и («). рис.10. Из данных этого рисунка находим иа=0.55 Эрг/см2.

Как следует из уравнения (4), наличие азимутального взаимодействия приводит к сужению петли гистерезиса. Совместное действие сдвига петли вследствие, например, ионных эффектов в С*ЖК и описанного сужения могут привести к потере бистабильных свойств С*ЖК.

В третьем параграфе рассматривается влияние фотоиндуциро-ванной анизотропии в слое ориентанта на электрооптические свойства С*ЖК. Показано, что качественная текстура втс* фазы достигается при наличии в составе фаз С*КК нематической фазы, отсутствие которой приводит лишь к некоторому преимущественному направлению директора С*ЖК в ячейке.

Для выяснения количественного соотношения величин азимутальной энергии, индуцируемой при облучении ориентанта, и при натирании ориентанта, был выполнен эксперимент с нема-, тической клиновидной твист-ячейкой, одна подложка которой имела большую азимутальную энергию связи (косонапыленная ею). Вторая подложка была в одной области натерта, а в другой натерта и освещена. Из сравнения в этих областях толщинных зависимостей угла твиста директора определено соотношение между указанными величинами: зм^и1 для следующих условий: применялось

А &

мягкое натирание с N=5 и освещение в течении 12 часов. Умень-

. '»ение времени освещения приводит к изменению полученного соотношения, из чего следует возможность управления величиной иа>

.Эксперименты с использованием С*ЖК и ориентирующих пленок с фотоиндуцированной анизотропией в соответствии со сказанным выше показывают, что петля гистерезиса в этом случае уширяется в сравнении с натертыми ориентантами вследствии меньшей величины формула (4). Возможна ситуация, когда сдвиг уширенной петли вследствии ионных эффектов в объеме С*ЖК не превышает полуширину петли и моностабильность С*ЖК не возникает даже при больших величинах спонтанной поляризации С*ЖК (Рз>100нКл/см2).

Также показано, что слой ориентанта с фотоиндуцированной анизотропией обеспечивает восстановление бистабяльных свойств С*ЖК после образования моностабильного отклика, рис.2, чего не наблюдается на натертых слоях ориентантов. Предложена модель, •.объясняющая такой характер отклика. В основу модели положены литературные данные [э], согласно которым натирание поверхности полимерного слоя приводит к увеличению его шероховатости, что, в свою очередь, приводит к увеличению плотносг.: поверхностных состояний, способных адсорбировать ионы из объема С*К. Тогда при хранении С*жк ячейки с фотоиндуцированной ориентацией в закороченном состоянии объемные ионы располагайся у ограничивающих поверхностей, компенсируя поле поверх-• костных зарядов Р , но только малая их часть в отличие от натертых ориентирующих слоев может быть адсорбирована на этих ■ поверхностях. Сформированный двойной слой объемных ионов в .первое время после приложения импульсов, рис.2а, приводит к .моностабильному отклику, кривая I, рис.2с, однако затем ионы уходят в объем С*ЖК и бистабильность восстанавливается, кривая 3, рис.2с. Использование полевых зависимостей времени переключения С*ЖК позволяет оценить значение плотности поверхностных состояний разделяющее значения мз для натирания и фотоин-Лу.'.ярованной ориентации, которое составляет ы^г=Ю10см~2.

,' Яругой эффект, связанный с возможностью получения малой величины азимутальной энергии связи С*ЖК с подложкой, за-.ключается в увеличении угла зкстинкции 29 между положениями

* т

директора С ЖК в доменах с противоположными направлениями Р

и-

-и

I, пр.ед. 1тах

1т1л -

I, пр.од. 1тах

1т'п

.....1 1 / т

1 1 1 • 1 « 1 1 « 1 1 1 1 1 1 1 а •

1 1 1

J 1

1 ; 1 « > •

Рис.2 а-Импульсы напряжения, приложенные к С ЖК ячейке;' Т=200мс, и=15В, ^=50мкс-длительностъ положительных и отрицательных импульсов; толщина ячейки й=1.5мкм, 1КСМ-224, (Рз=Ю5нКл/см2);

О-бистаСильный оптический отклик свежеприготовленной ячейки;

с-оптический отклик той же ячейки после хранения в закороченном состоянии и последующем приложении импульсов, рис.2а, в момент времени Кривая I-отклик ячейки в момент времени Кривая 2-отклик ячейки в момент времени г=ъо+10мин; • Кривая 3-отклик ячейки в момент времени ъ=ъо+20мин.

при уменьшении величины ма. Показано, что угол 29 может меня ться в диапазоне от 35° для и =о до 12° для внешнего воздейст-

а

вия (облучение или натирание) с конечной величиной к при угле

,наклона молекул в смектическом слое 0=22°. Исследуемые распределения директора были однородны, а угол преднаклона на используемом ориентанте (ОРЗ) мал (0р<2°). Из этого был сделан вывод о том, что в основном на величину угла 20 влияет наклон смэктических слоев в относительно нормали к подложкам. Изменение наклона слоев о при неизменной их толщине должно приводить к перемещению молекул С*ЖК в приповерхностных областях ячейки ■вдоль' проекции нормали к смектическим слоям на плоскость подложек [4]. Указанное перемещение может быть компенсировано ' возникновением текстурных неоднорог,:-остей. Это подтверждается тем фактом, что зависимость 20 от внешнего воздействия наиболее ярко проявляется в областях с дефектной ориентацией.

Пятая глава. Влияние поверхностно-активного вещества в . составе ориентанта на электрооптику С*КК

В первом параграфе рассматриваются ориентационные свойства С*ЖК при использовании в качестве ориентирующих слоев натертых пленок 0Р2 (ПАК+хромолан). Показано, что существует некоторое критическое число натираний ысг при использовании мягкой натирки. При к<исг текстура С*ЖК содержит значительное количество зиг-заг дефектов, а также участки с гомеотропной ориентацией С*ЖК. При мжсг текстура С*ЖК становится моношевронной с высоким оптическим качеством. При этом в ячейке существует только шеврон С1 [в]. Для ЖКСМ-1008, концентрации хромолана 39 вес Л и скорости вращения центрифуги 3000 об/мин экспериментально определено, что мсг=50. Также обнаруживается зависимость от числа натираний N угла 20 между положениями экстинкции в доменах с противоположными направлениями Рз в пределах шеврона С1. Зависимость 20т(ы) объясняется моделью [ю], согласно которой профиль директора С*ЖК и, следовательно,. угол' е зависят от угла . :зклона в . Влияние числа нагл р

' тираний'на величину 6р.для орхзнтанта 0Р2 определено прямыми измерениями для НМК 5ЦБ и представлено в главе 2. Экспериментально исследовано влияние на зависимость ер(м) таких факторов как концентрация ПАВ в растворе и скорость вращения центрифуги. • Зависимость в (и) качественно объясняется моделью [11] ча основе функции распределения в пространстве направлений ал-

кильных цепей ионов ПАВ. Как следует из литературных данных [8], удовлетворение условия ер<0.15е определяет возможность спонтанного возникновения в текстуре С*ЖК шеврона С2, противоположного по знаку С1. Как следует из экспериментов, увеличение* числа натираний до ы=боо сопровождается перестройкой структуры слоев и спонтанным образованием моношеврона 02.' Вероятно, в нашем случае при к=боо удовлетворяется условие 0р=0.15«, что также косвенно подтверждает зависимость в (м).

Во втором параграфе показано, что при использовании ПАВ в-составе полиимидного ориентанта наблюдается моностабильный; отклик С ЖК ячейки, рис.3, даже при малых значениях спонтанной

Рис.з Осциллограммы оптического отклика х на импульсы внешнего напряжения и (показаны на вставке). Обозначения моментов времени (см. текст) и г3 относятся только к кривой г. Условия наблюдения отклика: т=23°с, и=гов, длительность импульсов ч=100мкс.

1-Рв=5нКл/см2, 15 вес.« ПАВ в растворе с полимером;

2-Ре=5нКл/см2, 22* ПАВ; з-Рз=10нКл/см2, 15* ПАВ. ' Пунктирная линия показывает форму бистабильного отклика; Ре=10нКл/см2, ПАВ отсутствует в составе ориентирующего слоя.

поляризации С*ЖК (Рз=5нКл/см2), причем устойчивым является то направление Р , которое реализовалось при фазовом переходе 5тс*«-БтА. Эксперимент показывает, что если направление Рз переключить полем внешнего импульса на противоположное, то после выключения импульса директор С*ЖК релаксирует сначала к некоторому неустойчивому положению, существующему в течении времени ь2-ъ1, а затем через доменную стенку переключается в устойчивое положение за время рис.3. Времена ь2-ь1 и

зависят как от величины Р , так и от количества ПАВ в составе

в

оривнтанта. Показано также, что: I. Ориентационные состояния 'С*ЖК директора, отвечающие устойчивому и неустойчивому положениям директора однородны и асимметричны относительно направления легкой ориентации в ячейке; 2. Не наблюдается увеличения проводимости С*ЖК при использовании ПАВ в составе оривнтанта; 3. Значение г3-ъ2 стабильно во времени. На основе указанных фактов делается предположение о существовании в объеме С*ЖК внутреннего поля еу ., -"^очником которого являются ионы ПАВ,

1 Пи ф

адсорбированные на поверхности раздела С ШК-ориентант.

■ При существовании в объеме С*КК стабильного во времени поля ионов ПАВ Е^ должно существовать '-ззличие в отклике С*КК на противоположные полярности приложенного внешнего поля небольшой амплитуды. Полевые зависимости времен такого отклика были измерены, из которых следует, что Е^пЬ=0.2В/мкм для Ре=10нКл/см2. Согласно предложенной модели, поле компенсирует поле Ер зарядов спонтанной поляризации в объеме С*ЖК, которое для Р =ЮнКл/см2 с учетом параметров используемых С*ЖК и ориентанта равно ' =0.24В/мкм. Полагаем, что полученное совладение подтверждаем справедливость предложенной модели.

В третьем параграфе рассматриваются особенности 30 свойств моностабильных образцов С*ЖК при использовании ПАВ в составе ориентанта. Общее поведение ЭО отклика таких образцов С*НК при изменении параметров управляющих импульсов, вставка на рис.3, сводится к зависимости времени существования

.неустойчивого состояния директора С*ЖК и времени его

переключения в устойчивое от параметров этих импульсов, рис.3. Для характеристики моностабильного отклика в случае т>!_,

вставка на рис.3, предложено использовать площадь х* под кри--вой отклика, для получения которой сигнал с $ЭУ пропускался через интегрирующую цепочку с подобранной постоянной времени, превышающей период импульсов Т. Особенность ЭО отклика заключается в зависимости формы отклика и, следовательно, величины I*, только от параметров положительного импульса в некотором, диапазоне их изменения (например, при *=32мкс 20В<и<50В) и одинаковых значениях с параметрами отрицательного импульса. Показано, что такое поведение отклика возможно в случае асимметричных распределений директора вдоль нормали к подложкам для устойчивого и неустойчивого состояний, поскольку вследствие асимметричности в несколько раз различаются времена реак-. ции С*КК на противоположные полярности внешнего поля. Поэтому в независимости от состояния директора на предыдущем периоде импульсов отрицательный импульс переключает директор С*ЖК всегда в одно и тоже состояние, которое релаксирует в устойчив вое и является исходным для положительного импульса.

Далее рассматривается случай, когда интервал I. между фронтом отрицательного и спадом положительного импульса, вставка на рис.3, становится меньше времени релаксации, составляющего примерно 200мкс, в устойчивое состояние после окончания отрицательного импульса, а положительный импульс имеет критическую длительность (параметры обеих импульсов одинаковы). Показано, что вследствие асимметрии положений директора длительности отрицательного импульса достаточно для формироват ния распределения директора с высокой степенью однородности.и' воспроизводимости, а длительности положительного импульса, близкой к критической, недостаточно для переключения директора, если фронт положительного импульса близок к спаду отрицательного и наоборот, достаточно, если фронт положительного импульса удален от спада отрицательного. Таким образом, процесс релаксации в устойчивое состояние, накладывэясь не положительный импульс, модулирует ЭО отклик. Соответствующая зависимость 1*(г) находится справа от максимума в отклике х*. рис.4, измеренного при условии 1=сопв1:. Зависимость сле-

ва от максимума, рис.4, обусловлена недостаточностью длитель-

О 10 20 30 40 50 Т, икс

Рис.4 Зависимость ЭО отклика I* от длительности импульсов напряжения, рис.3. Т=40мс, ь=Ю0мкс, постоянная вре-' мени интегрирующей цепочки-ЮОмс, НКСМ-1008 • (Рз=5нКл/см2).

носта положительного импульса для отклонения директора С*ЖК от устойчивого положения.

В приложении приведены основные параметры новых С*ЖК материалов ЖКСМ-Ю01, ЖКСМ-1005 и ЖКСМ-1008, таблица I, и представлены результаты исследований 30 отклика С*ЖК ячеек с ЖКСМ-1005 и ЖКСМ-1008 в режимах имитации реальных схем матричной адресации.

' Показано, что ЖКСМ-1005 со смектическими слоями, перпендикулярными подложкам и шагом смектического геликоида ро<а в ограниченном интервале времен обладает бистабильными свойствами с. динамическим порогом, аналогичным порогу поверхностно-стабилизированной структуры [5] и может быть использован в качестве модулирующей среды в светоклапанной линейке ЖК принтера с матричной адресацией. Такие линейки имеют 4 строки, поэтому требуемое время бистабяльности составляет около 8мс, что -меньше времени сворачивания геликоида. Относительно невы-

Таблица I Основные параметры новых С*ЖК материалов

Параметр

ЖКСМ-1008 ЖКСМ-1005

ЖКСМ-1001

1. Температуры фазо- сг-5-5тс*-бг- сг-0-5тс*-б0- сг-о-втс'-бв-ВЫХ переходов,°С -ЭтА-еЭ-ы'-бЭ-Х -5тА-67-1 -ЗтА-в9-1 .

2. Спонтанная

поляризация р , .

НКЛ/СМ2, 20°С 5.0

3. Угол 0 наклона молекул в смекти-

103

ческом слое, град.,20 с гг

4. Шаг геликоида в

этс* фазе ро,мкм, го°с >17

5. Шаг геликоида в

к* фазе р^.мкм, во°с >го

6. Электрическая проводимость,

От"1ст~1, 20°С <10~12

7. Оптическая анизотропия

Ап, 20°С, ^ =628пт 0.16

е. Время'переключения 1 по оптическим уровням 10Х-Э0Ж, МКС, 20°С, Е=10В/МКМ 60

23

0.5

<10

0.16

-12

16

70

24

1 .2

<10

о.1е

20

-12

сокий контраст полосчатой текстуры, глава 3, со слоями, пер пендикулярными подложкам, также достаточен для устройств этого типа [4].

Также показано, что ЖКСМ-1008 с бездефектной на площади в десятки см2 шевронной структурой смектических слоев обеспечи-

вэет бистабильнов- ЭО переключение в режиме матричной адресации. При максимальной'амплитуде управляющих импульсов 41В вре-• мя адресации строки матричного экрана при четырехтактном способе адресации составляет 64мкс, что удовлетворяет телевизионному 'стандарту. ■

При использовании описанной в главе 5 новой геометрии ЭО эффекта в отклике С*ЖК имеется зависимость 1*СО при и

1_=соп:зь, рис.4. Показано, что существование этого участка поз. воляет применять матричную адресацию для генерации шкалы серого ;в прелолах одного пикселя С*ЖК экрана. Предложен соответствующий метод матричной адресации, причем каждая строка экрана з этом методе адресуется за два такта в отличие от четырех ■ тактов в случае бистабильного переключения С*ШК ячейки.

. ' ВЫВОДЫ

¡'.Динамика образования смектического геликоида и гястерезисные свойства С КК образцов зависят от выбора толщина пленок ориентанта, которые оказывают экранирующее влияние на дисперсионное взаимодействие С*ЖК с подложкой. 2. Устойчивость состояний памяти и оптические характеристики ориентированных образцов С*ЖК зависят от величины азимутальной энергии сцепления С*1К с подложкой. Наиболее простой способ воспроизводимого изменения величины этого взаимодействия обеспечивается созданием фотоиндуцированной анизотропии в слое ориентанта. - 3.Моношевронная структура смектических слоев, однородные рас. ■ пределения директора С*ЖК в смектическом слое, бистабильный отклик с малым временем переключения между стабильными состояниями, а также бездефектная текстура ориентированных образцов С*Ж могут быть получены при использовании ориенти-' рухвдх слоев с малыми значениями угла преднаклона директора С*Ж (в =0.2°). Это объясняется наличием полярного взаимодействия С*НК со слоем полимерного ориентанта, проявляющим сегнетоэлектрические свойства. 4.Введение ионного ПАВ в слой ориентанта позволяет реализовать

новую геометрию линейного 30 эффекта в С*ЖК, особенность. которой заключается в несимметричном и стабильном во времени отклике директора С*ЖК на различные полярности приложенного : поля.

5.Процесс адсорбции ионов на границе раздела С*1К-ориентзнт определяет долговременные ЭО свойства ориентированных образ-' цов С*ЖК. Характер адсорбции определяется обработкой поверх-, ности ориентанта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1. E.P.Pozhidaev, V.G.Chigrinov, Yu.P.Panarin, V.P.Vorflusev.' and S.N.Karabaev, "Methods of measuring of Ferroelectric LC-solid substrate anchoring energy", Proceedings of the 3th Int.Conf. on FLC, 1991, Boulder, Abstract P-129.

2. Yu.P.Panarin, V.G.Chigrinov, E.P.Pozhidaev and V.P.Vorflu- -sev, "Hysteresis and Anchoring Energy in Ferroelectric Liquid Crystals", Proceedings of the 14th Int.Liq.Cryet. Conf., 1992, Pisa, Abstract C-P61, p.250.

3. E.P.Pozhidaev, V.G.Chigrinov, Yu.P.Panarin and V.P.Vorflusev, "Anchoring Energy of a Ferroelectric Liquid Crystals . with Solid Surface", Molecular Materials, 1993, Vol..2, No.4, pp.225-236.

4. V.P.Vorflusev, Yu.P.Panarin, S.A.Pikin and V.G.Chigrinov, "Domain Structures In Ferroelectric Liquid Crystals",' Liq.Cryst., 1993, Vol.14, No.4, pp.1055-1060.

5. V.P.Vorflusev, V.G.Chigrinov and Yu.P.Panarin, "Effect of PVA Orientant on Electrooptical Properties and Bistability in Ferroelectric Liquid Crystal Cell", Molecular Mate- ■ rials, 1993, Vol.2, No.4, pp.275-282.

6. V.P.Vorflusev, V.G.Chigrinov and Yu.P.Panarin, "Electro-optic Properties of FLC Cells Treated in Low Frequency Electric Field", Proceedings of European Conference ■ on Liquid Crystals, Science and Technology, 1993, Flims, Abstract EO-1, p.101.

7 . .V.P.Vorflusev, M.V.Loseva, Yu.P.Panarin and N.I.Chernova,

"Some Properties of FLC Binary Mixtures of Chiral Dopants and Matrices with Variable Alky? Tail Length", Proceedings of the 4 th Int.Conf. on FLC, 1993, Tokyo, Abstract P-176. pp.429-430.

'8. M.V.Loseva, R.V.Isaeva, V.P.Vorflusev and Yu.P.Panarin, "Chiral Smectic C Phase Induced by Optically Active Tai— phenil Derivatives in Some Nematic Compounds", Proceedings of the 4th Int.Conf. on FLC, 1993, Tokyo, Abstract P-178. :pp. 4.33-434.

9. Yu.P.Panarin, V.P.Vorf1usev and V.G.Chigrinov, "Berreman-like Term in FLC Anchoring Energy: Method for Measuring and Effect on Bi stabi 1 i ty", Proceedings of the 4th Int. Conf. on FLC, 1993, Tokyo, Abstract P-177. pp.431-432.

10. V.P.Vorflusev, Yu.P.Panarin, V.M.Kozenkov, V.Q.Chigrinov, M.V.Loseva and N.I.Chernova, "Electrooptical Properties of Ferroelectric Liquid Crystal Cells Aligned by Photoanisot-ropic Films", Proceedings of the 4th Int. Conf. on FLC, 1993, Tokyo, Abstract P-175. pp.427-428.

11. Yu.P.Panarin, V.P.Vorflusev and V.Q.Chlgrinov, "Berreman-like Term in FLC Anchoring Energy: Method for Measuring and Effect on Bistabi1ity", Ferroelectrics, 1993, Vol.149,

. pp.125-131.

12. V.P.Vorflusev, M.A.Kosygina, V.Q.Chigrinov, V.M.Shoshln and Yu.P.Bobylev, "Electrooptics of Uniform Chevron State in Ferroelectric Liquid Crystals", Proceedings of the 15th Int.Liq.Cryst. Conf., 1994, Budapest, Abstract J-P67,

.p.' 848.

13. V.P.Vorflusev, V.M.Kozenkov, V.Q.Chigrinov, "Bistable Switching in FLC Cells Aligned by Photoanisotropic Films", Proceedings of the 15th Int.Liq.Cryst. Conf., 1994, Budapest, Abstract J-Sbp23, p.878.

14. S.V.Belyaev, V.V.Belyaev, V.G.Chigrinov, N.V.Maiimonenko,

. A.A.Miroshin, V.P.Vorf1usev, "Fast Switching Modes in Nematic and Ferroelectrics Liquid Crystals", Proceedings of the 15th Int.Liq.Cryst. Conf., 1994, Budapest, Abstract

K-Sbp3, p.951.

16. V.P .Vorflusev, V.M.Kozenkov, V.G.Chigrinov, "Bistable Switching in FLC Cells Aligned by Photoanisotropic Films", Mo 7.Cryst.Li q.Cryet., 1995, Vol.263, pp.577-6&3.

16. M.V.Loseva, N. I.Chernova, V.P. Vorflusev, L.A.Beresnev, S.Hiller, W.Haase, "Synthesis and Physical Properties of Novel Terphenyl Type Ferroelectrics Liquid Crystals", MoT.Cryet.Lip.Cryst., 1996, Vol.260, pp.281-267.

17. В.П.Ворфлусев, M.А.Косыгина, В.М.Шошин, Ю.П.Бобылев, "Электрооптика однородного шевронного состояния сегнето-электрического смвктического жидкого кристалла", Кристаллография, 1995, т.40, №1, стр.I4I-I44.

1в. V.P.Vorflueev, M.A.Koeygina, V.Q.Chigrinov, M.V.Loseva, "A New Type of Monostabllity and Grey Scale Generation in" Thin FLC Cells", Proceedings of the 5th Int. Conf. on FLC, 1995, Cambridge, Abstract P-188, p.497.

19. V.G.Chigrinov, V.P.Vorflusev, Yu.P.Panarin, E.P.Pozhidaev,' "Aligning Properties and Anchoring Strength of Ferroelectric Liquid Crystals", Proceedings of the Sth Int. Conf. on FLC, 1995, Cambridge, Abstract P-70, p.251.

20. M.V.Loseva, V.P.Vorflusev, N.Korotkova, "Physical Properties of Induced Chiral Smectlc С Phase", Proceedings of the Sth Int. Conf. on FLC, 1995, Cambridge, Abstract P-36, p.181.

21. В.П.Ворфлусев, М.А.Косыгина, В.Г.Чигринов, "Влияние' поверхностно-активного вещества на электрооптический отклик в сегнетоэлектрических жидких кристаллах". Письма в КЭТФ, т.62, №5, стр.438-441.

22. V.P.Vorflusev, H.S.Kitzerow, V.G.Chigrinov, "Azimuthal anchoring energy in photoinduced anisotropic films, Jpri. J.Appl.Phys., 1995, Vol.34, No.9A, pp.L1137-L1140.

Цитированная литература

1. R.B.Meyer, L.Liebert, L.Strzeleckl and P.Keller, J.Phys. (Paris) Lett. 36, L69 (1975).

.2.- L.M.BIinov and V.G.Chigrinov, Electrooptlc Effects In Liquid Crystal Materials, Springer-Verlag, New York, 1994.

3. B.Bahadur (editor), Liquid crystals: Applications and Uses, Volumes 1,2,3, World Scientific, Singapore, 1990.

4. J.Goodby (editor), Ferroelectric liquid crystals: principles, properties and applications, Gordon and Breach, New York, 1991.

,5. N..Clark and S.Lagerwall, Appl.Phys.Lett., 36, 899 (1960).

6. A.Rapini, M.Papoular, J.Phys.(Paris) , Colloq.30, C4-54 .'(1969).

i. С.А.Пикин, Структурные превращения в жидких кристаллах, . М.Наука, 1981.

8. J.Kanbe, H.Inoue, A.Mizutome Y.Hanyuu, K.Katagiri, S.Yos-hihara, Ferroelctrics, 114, 3 (1991).

■9. E.Lee, Y.Sato, T.Uchida, Jpn.J.Appl.Phys., 32, L1822 ( 1993).

10. N.Itoh, M.Koden, S.Miyoshi, T.Wada, Jpn. J. Appl. Phys. , 3_1_, 852 (1992).

11. K.Shirota, K.Ishikawa, H.Takezoe, A.Fukuda, T.Shiibashi, Jpn.J.Appl.Phys., 34, L316 (1995).