Фазовые переходы и ориентационные дефекты в тонких свободно подвешенных пленках смектических жидких кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ДОЛГАНОВ Павел Владимирович

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ОРИЕНТАЦИОННЫЕ

ДЕФЕКТЫ В ТОНКИХ СВОБОДНО ПОДВЕШЕННЫХ ПЛЕНКАХ СМЕКТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного

состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 2004

Работа выполнена в лаборатории спектроскопии молекулярных структур Института физики твёрдого тела РАН

Научный руководитель доктор физико-математических наук профессор ДЕМИХОВ Е.И.

Официальные оппоненты

д.ф.-м.н. проф. Беляков Владимир Алексеевич д.ф.-м.н. Тартаковский Илья Иосифович

Ведущая организация - Институт кристаллографии РАН

Защита диссертации состоится в на заседании диссертационного совета 002.100.01 при ИФТТ РАН по адресу: Институт физики твёрдого тела РАН, 142432, Московская область, Черноголовка.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твёрдого тела РАН.

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

© Долганов П.Вл., 2004. © Институт физики твердого тела РАН, 2004. © Институт проблем химической физики РАН, 2004.

то ж Ффш 2004

«23»

января 2004 г.

2004-4

27451

Общая характеристика работы

Актуальность. Полярные смектические жидкие кристаллы (ЖК) имеют слоистую структуру и состоят из вытянутых молекул [1-3]. Длинные оси молекул в слоях наклонены. В сегнетоэлектрической SmC* [1,4] и антисегнетоэлектрической SmC*A [5,6] фазах ориентация молекул в соседних слоях соответственно одна и та же (синклинная) и противоположная (антиклинная). В последние годы исследования субфаз с непланарным межслоевым упорядочением [6-8] были одним их наиболее актуальных направлений изучения ЖК. Это связано с рядом причин. Во-первых, эти фазы обладают необычной для ЖК структурой. В течение долгого времени характер упорядочения в этих фазах не удавалось определить. Лишь недавно проведены эксперименты, проливающие свет на их структуру [7,8]. Интерес к изучению полярных смектических структур не в последнюю очередь связан также с их широким потенциалом для практических применений. Смектические ЖК образуют тонкие свободно подвешенные плёнки [9,10]. Благодаря высокому качеству плёнки являются очень удобными объектами для исследований структуры смектических фаз, поверхностных явлений. В то же время большой комплекс вопросов остаётся неисследованным или изученным крайне слабо. В первую очередь это касается структур с антиклинным и непланарным упорядочением молекул и фазовых переходов между ними. Недостаточно изучены линейные дефекты в плёнках неполярных SmC и SmC*A структур.

Основные цели. Исследование ориентационного упорядочения тонких свободно подвешенных плёнок с антиклинной структурой, его зависимости от температуры и толщины плёнки.

Исследование фазовых переходов между фундаментальными фазами (SmC*A, SmC*, Sm4) и субфазами (SmC*а, SmC*Fn) в тонких свободно подвешенных плёнках, влияния поверхности на структуру и фазовые переходы. Изучение структур, образующихся в тонких плёнках, зависимости температур переходов от толщины плёнки. Исследование линейных ориентационных дефектов в плёнках с синк-линной и антиклинной структурой. Исследование связи структуры дефекта с характеристиками ЖК, определение двумерных упругих констант.

Описание структур и фазовых переходов в тонких плёнках с использованием дискретной феноменологической теории Ландау. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

»•ос. НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА

Изучение взаимодействия, упорядочения, ориентации дефектов и включений (капель нематика, изотропной жидкости) в смектических плёнках.

Научная новизна работы.

Впервые проведены измерения поляризованного оптического отражения и определена величина параметра порядка тонких плёнок антисег-нетоэлектрика. Впервые исследован переход 8тС*А— 5тС*„-8тД в тонких плёнках. Проведены исследования ориентационных дефектов в неполярных плёнках смектика С. Определены константы ориентаци-онной упругости, продольная поляризация тонких плёнок антисегне-тоэлектрика. Впервые исследованы включения (капли высокотемпературной фазы) в ориентированных магнитным полем плёнках, определена конфигурация молекулярного поля вблизи включений. Проведены расчёты структур объёмных образцов и тонких плёнок полярных смектиков. Показано, что наблюдаемые смектические фазы можно получить в рамках дискретной феноменологической модели с взаимодействием через один слой. Получено указание на то, что представляет собой смектическую структуру, образованную изменением от слоя к слою модуля и фазы параметра порядка.

Практическая ценность. Предложен метод измерения характеристик плёнок (констант ориентационной упругости, поляризации) по структуре линейных ориентационных дефектов. Определение этих характеристик важно при создании устройств, основанных на переориентации ЖК во внешних полях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Научной конференции Московского физико-технического института (Черноголовка, 2000 г.), Московском семинаре по жидким кристаллам (Институт кристаллографии РАН, Москва, 2001г.), семинаре в университете Шиншу (г. Уэда, Япония, 2001г.), семинаре в университете Осака (Япония, 2001г.), VII Европейской конференции по жидким кристаллам (г. Хака, Испания, 2003 г.), XVI Европейской конференции по химии межфазных поверхностей (г. Владимир, 2003г.), X Международной конференции по оптике жидких кристаллов (г. Ассуа, Франция, 2003г.), научных семинарах Института физики твёрдого тела РАН.

Основные результаты диссертации опубликованы в шести печатных работах. Список работ приведён в конце реферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований, изложена на 123 страницах и содержит 54 рисунка.

Содержание работы. Во введении приводятся сведения о ЖК фазах и смектических плёнках, обоснована актуальность темы исследования и сформулированы основные цели работы.

В ГЛАВЕ 1 даётся обзор экспериментальных методик. В экспериментах использовались ячейки нескольких типов. Ячейки первого типа представляли собой стеклянные пластины с отверстием, ячейки другого типа - раздвижную прямоугольную рамку. В исследованиях тонких свободно подвешенных плёнок применялись две методики: измерение интенсивности отражения света и исследования с помощью поляризационного микроскопа. Деполяризованная микроскопия позволяет существенно повысить контрастность изображения по сравнению с наблюдениями в скрещенных поляризаторах. Данные, полученные двумя методиками, дополняют друг друга. Измерения проводились во внешнем электрическом или магнитном поле. Электрическое поле могло быть приложено в различных направлениях в плоскости плёнки, магнитное - в плоскости плёнки или под углом к ней. Использование магнитного поля позволило исследовать неполярные плёнки смектика С, в которых с-директор (проекция длинных осей молекул на плоскость слоя) ориентирован, и наблюдать ориентационные дефекты, которые не могут существовать в полярных плёнках в электрическом поле. Использовались вещества, обладающие смектическими жидкокристаллическими фазами

В ГЛАВЕ 2 описаны эксперименты по исследованию свободно подвешенных плёнок антисегнетоэлектрического жидкого кристалла, изучению перехода антисегнетоэлектрик-сегнетоэлектрик в тонких плёнках. Исследованы ориентационные дефекты в плёнках антисегнетоэлект-рика и неполярного смектика С.

Переход антисегнетоэлектрик-сегнетоэлектрик в объёмных образцах происходит, как правило, через промежуточные фазы. Нами использовались вещества, в которых в объёмном образце в температурном диапазоне между сегнетоэлектрической и антисегнетоэлектри-ческой фазами образуется сегнетиэлектрическая фаза 8тС*п1- Был исследован переход между синклинной и антиклинной структурами в тонких плёнках в электрическом и магнитном поле.

Рис. 1. Температуры переходов в плёнках 12FC7 различной толщины. Температуры переходов увеличиваются с уменьшением толщины плёнки.

На рис. 1 показаны температуры переходов в плёнках различных толщин. Низкотемпературное состояние соответствует антиклин-ной структуре, высокотемпературное — синклинной. Переход происходит через серию промежуточных структур, температуры переходов увеличиваются с уменьшением толщины плёнки. В плёнке толщиной 2 слоя переход в синклинную структуру происходит на 30К выше, чем в объёмном образце. При переходе направление поляризации изменяется на 90° (продольная поляризация при низкой температуре, поперечная при высокой). Переход в плёнке толщиной 2 слоя также сдвинут примерно на ЗОК в высокотемпературную область по отношению к объёмному образцу [11]. Это свидетельствует о том, что переход между антиклинной и синклинной структурами происходит примерно при том же угле наклона молекул, что и в объёмном образце. С увеличением толщины плёнки число переходов в ней увеличивается. В плёнках толщиной более 4 слоев переходы расщепляются на две ветви: низкотемпературную, соответствующую переходам в центре плёнки, и высокотемпературную с переходами у поверхности. Совокупность микроскопических исследований и измерений поляризован-

ного отражения позволила сделать заключение относительно структур, образующихся в плёнках различных толщин

Исследованы линейные дефекты в БшС в магнитном поле, направленном под углом айв плоскости пленки Периодичность магнитной энергии в 2Л при а Ф 0 и в я при а = 0 приводит к возможности существования в плёнке соответственно При уменынении угла наклона магнитного поля 2 К -стенка уширяется и распадается на две каждая из которых остаётся узкой

Рис. 2. Вид 2 Я-стенки в скрещенных поляризаторах при ее ориентации перпендикулярной и параллельной Ну. Направление с-директора вдали от стенок слева направо (а) и сверху вниз (b) В центре стенки деформация с-директора на фото (а) соответствует продольному изгибу (bend) и поперечному изгибу (splay) на фото (b) Расстояние между центральными светлыми полосами меньше для продольного изгиба (Къ < Kj) В центре двух боковых тёмных полос ситуация обратная поперечная деформация (а), продольная деформация (b) Вещество 6ГГБ, Т=53°С. Н=3,3 кЭ N=4, горизонтальный размер кадров 480 мкм

Структура стенки зависит также от азимутальной ориентации магнитного поля На рис 2 приведены фото при её ориен-

тации перпендикулярной магнитному полю (а) и когда проекция Н на плоскость плёнки Ну параллельна стенке (b) Обнаружено, что структуры стенок существенно отличаются, что свидетельствует о различии упругих констант поля внутрислоевого упорядочения и о том,

что одноконстантное приближение [12,13] является слишком грубым

для описания структуры стенок. Необходимость учёта различия упругих констант для описания структуры стенок требует применения более сложной процедуры нахождения ориентации с-директора в плёнке (р (х,у). Производные <р '„,у в аналитическом виде найдены из уравнения Эйлера, получающегося при минимизации функционала свободной энергии, численно рассчитана структура стенок различной ориентации. Подгоночными параметрами при сопоставлении с экспериментом служили упругие константы Кь И К,. На рис. 3 приведены значения полученных таким образом ориентационных упругих констант.

Рис. 3. Двумерные константы ориентационной упругости продольного и поперечного изгиба поля с-

директора плёнок 6ГГБ различной толщины. Т=53°С.

Проведены исследования линейных дефектов в плёнках анти-сегнетоэлектрика в электрическом и магнитном

стенки) поле. Совокупность этих исследований позволила определить константы ориентационной упругости плёнок антисегнетоэлектрика, а также впервые определить величину продольной электрической поляризации плёнок антисегнетоэлектрика с чётным числом слоев.

Исследована переориентация молекул в электрическом и магнитном поле при изменении направления электрического поля на 180° и при изменении ориентации магнитного поля относительно плоскости плёнки (рисунок 4/ направление поля изменено между кадрами1 и 2). В магнитном поле после изменения его направления ориентация моле-

кул в образце соответствует локальному минимуму энергии и, следовательно, метастабильному состоянию, в электрическом поле она отвечает максимуму энергии, то есть неустойчивому состоянию. Поэтому при изменении направления электрического поля может происходить «коллективная» переориентация (поворот плоскости наклона молекул) одновременно в большей части образца (рис. 4(Е), кадр 2 соответствует повороту плоскости наклона молекул на 90°). В магнитном поле из-за наличия энергетического барьера между начальным и конечным состояниями такая коллективная переориентация невыгодна, и переориентация осуществляется волной переключения (движущейся л-стенкой, рис. 4(Н2)).

Рис. 4. Процесс переориентации плоскости наклона молекул в электрическом (Е) и магнитном (Н) поле при изменении направления поля. Фото получены с использованием деполяризованной микроскопии. Вверху: переориентация в плёнке антисегнетоэлектрика TFMHPBC толщиной 12 слоев. Кадр 2 снят через 1,2 с после переключения поля, кадр 3 через Зс. Горизонтальный размер кадров 140 мкм. Внизу: переориентация в плёнке смектика С. Угол наклона магнитно -го поля изменён от Переориентация проис-

ходит путём движения (тёмная полоса на фото 2).

Горизонтальный размер кадров 435 мкм. Направление поляризации (Р) и плоскости наклона молекул (с) в образце показано стрелками.

Волна переключения создавалась поворотом плёнки так, чтобы знак а изменялся на противоположный. При этом л-стенка возникала

вблизи границы и двигалась через образец. Измерялась скорость движения волны переключения. Исследования динамики с-директора позволили определить коэффициент вязкости у , характеризущий дисси-пативное вращение молекул, сопровождающее движение Л1-стенки. Для плёнок различных толщин у составляет величину 3,5-10'2 пуаз. Знание у» К* и Кь позволяет также определить 2Б ориентационные константы диффузии

В ГЛАВЕ 3 описаны результаты исследований плёнок антисегнетоэле-ктрика при высокой температуре. Проведено исследование переходов БтС** — 5тС*0 — БтА в тонких плёнках, изучены образующиеся при высокой температуре линейные дефекты, поведение плёнок в электрическом поле.

В тонких плёнках переходы происходят при более высокой температуре, чем в объёмном образце. Чтобы выяснить, какова при высокой температуре взаимная ориентация плоскости наклона молекул в соседних слоях, были проведены измерения оптической анизотропии (отношения интенсивности отражения света, поляризованного перпендикулярно 1х и параллельно 1ц направлению электрического поля). Результаты измерений представлены на рис. 5. Основной результат этих измерений — что во всём температурном диапазоне существования плёнок с наклонёнными молекулами абсолютная величина оптической анизотропии остаётся значительной и при переходах практически не изменяется. Это означает, что плоскости наклона молекул не образуют короткошаговой спирали, характерной для фазы в объёмном

образце. Постепенное уменьшение оптической анизотропии с увеличением температуры связано с уменьшением угла наклона молекул. Трансформация структуры фазы в тонких свободно подвешен-

ных плёнках исследовалась для случая перехода из сегнетоэлектрика в В тонкой плёнке вместо спиральной структуры с коротким шагом наблюдалась планарная структура. Можно заключить, что вне зависимости от типа перехода (БшС* — БтС*а — БтЛ или БтС'д — поверхностное упорядочение подавляет короткошаго-

вую спираль.

Совокупность данных оптического отражения и деполяризованной микроскопии позволила сделать заключение о том, что переходы происходят с изменением типа электрической поляризации: продольная (параллельная плоскости наклона молекул) - поперечная (перпендикулярная ей). На рис. 5 области с соответствуют структурам, обладающим поперечной (продольной) поляризаци-

ей. Число переходов зависит от чётности плёнки и величины электрического поля. Температуры первого перехода увеличиваются с уменьшением толщины плёнки и практически не зависят от величины поля. Это может свидетельствовать о том, что характер перехода определяется в основном внутренней структурой плёнки.

jg а>

а:

1.1

1.0

0.9 1.1

1.0

0.9

—1-1-1-1 Т-1- N=4 ;.........Гп. i i i i i i

1 X * * * "x *

N=5 ;......1. •s^ N=7"

i i i i i i I jxx X X X X _1-1—I. _1 _l_ 1—

72 76 80 84 72 76 80 84 Temperature (°С)

Рис. 5. Температурная зависимость относительной интенсивности отражения / I g для плёнок различных толщин. Стрелки показывают направление переходов при нагревании. Заполненные символы соответствуют данным, полученным при величине поля 35 В/см, крестики — данным, полученным при высоком поле.

При высокой температуре ориентация плоскости наклона молекул зависит от величины электрического поля. В плёнках всех толщин в малом поле структура обладает продольной поляризацией, в большом поле - поперечной поляризацией. Поведение плёнок при высокой температуре аналогично поведению вещества, не обладающего в объёмном образце фазой БтС*,, [15]. В структуре, соответствующей высокому полю, наблюдались дефекты, в которых происходит изменение ориентации молекул как в плоскости плёнки, так и от слоя к слою. Такие дефекты содержат участки структуры с продольной поляризацией, т.е. структуры, соответствующей низкому полю, и могут служить источниками зарождения новой фазы при уменьшении величины поля.

Из данных по оптической анизотропии впервые определена температурная зависимость среднего угла наклона молекул в в плёнках антисегнетоэлектрического ЖК различных толщин. Угол наклона

увеличивается с уменьшением толщины плёнки. Это свидетельствует о необходимости учёта поверхностного упорядочения при описании антиклинной структуры и фазовых переходов.

В ГЛАВЕ 4 приведены результаты расчёта структур смектических фаз в объёмных образцах и тонких плёнках с использованием теории Ландау фазовых переходов. Исследованы фазовые переходы и структуры, образующиеся в плёнках при высоких температурах.

Расчёты структур производились путём численной минимизации свободной энергии. Впервые проведены расчёты с минимизацией свободной энергии как по фазе, так и по модулю двухкомпонентного параметра порядка. Для описания фазовых переходов и структур полярных смектических фаз использована дискретная феноменологическая модель с взаимодействием молекул в соседних слоях и через один слой [16,17]. Смектические плёнки моделируются совокупностью N слоев с двухкомпонентным параметром порядка 2;,, где I — номер слоя. В разложении свободной энергии присутствуют слагаемые второго

описывающие переход из 8шА в 8шС в изолированных слоях. Включены также члены, соответствующие взаимодействию молекул в соседних слоях, второго А Э1 ^ и четвёртого (Ь| ^ + порядка, а также барьер

между синклинной и антиклинной ориентацией в соседних слоях аэ [1» * Кроме того, учитывалось фрустрационное взаимодействие У4 аг^ ^,+2. которое при аг > 0 может приводить к образованию субфаз, и хиральное взаимодействие

Были проведены расчёты фазовых диаграмм для объёмных образцов при различных значениях межслоевых взаимодействий. На рис. 6 приведён пример температурной зависимости угла наклона и параметра ячейки в различных структурах для одного из наборов параметров модели. Образуются структуры с периодом 2, 3, 4 слоя, а также несоизмеримая структура.

Учёт хиралыюсти приводит к разупорядочению плоскостей наклона молекул, структуры становятся непланарными. 3- и 4-слойные структуры схематически показаны в верхней части рис. 6Ь (вид вдоль нормали к плоскости слоев). Структуры на рис. 6 появляются в последовательности, наблюдающейся в классическом антисегнетоэлектрике МНРОВС в образцах с высокой оптической чистотой [18].

0.3

л

а>

О)

(0

0.2

~ 0.1

0.0

от

0).

>ч .

со 4

О)

°°о„ . • \

- Г°°о БтС °0„ «

: °а

* о

• о ! с БшА

БтС; : БтСД' о о

5тСш О с

3 1 2 и) ЛЛ ь

V- у) Ч\) ь2 4 з3 •• •

•м

-8 -6 -4 -2 0 . 2

т-т0. к

Рис 6. Угол наклона (а) и период (Ь) в зависимости от температуры в втСл, 5тС*пь БтС'иг» 5тС*0 фазах. Непланар-ные 3-й 4-слойные структуры схематически показаны в верхней части рис.бЬ. Угол разупорядочения 6 зависит от хи-ральности. Прямые и перевёрнутые треугольники на рис. 6а соответствуют слоям, обозначенным 3 и 1 (2) на рис. 6Ь.

Важным результатом расчётов структур (рис. 6) является различное значение модуля параметра порядка в 3-слойной структуре. Ранее считалось, что смектические наклонные структуры в объёмном образце образованы изменением от слоя к слою только фазы параметра порядка, а модуль остаётся постоянным. Увеличение хиральности и индуцируемого ей разупорядочения плоскости наклона молекул приводит к уменьшению этого различия, однако оно остаётся ненулевым. Таким образом, результаты этих расчётов дают указание на существо-

вание смектической структуры, образованной изменением как фазы, так и модуля параметра порядка от слоя к слою. Различие в величинах в, должно привести к модуляции толщин смектических слоев с! в элементарной ячейке. Относительная разница может составлять от 0,3% до 1,2%. Такая модуляция должна приводить к появлению дополнительных сателлитных пиков в нерезонансном рассеянии при волновых векторах

Для расчёта структур тонких пленок необходимо учитывать влияние свободных поверхностей. Физическая модификация поверхностных слоев по отношению к объёмным учитывалась в расчётах путём изменения свободной энергии для поверхностных слоев. Температура перехода на поверхности выбиралась такой, чтобы разница температур между переходами в объёмном образце и сверхтонкой плёнке толщиной 2 слоя составляла экспериментально наблюдаемую величину порядка ЗОК [11].

Проведены расчёты структур в тонких плёнках антисегнетоэле-ктрика различных толщин. Показано, что вместо структуры объёмного образца с короткошаговой спиралью в плёнках могут образовываться планарные структуры. При изменении температуры происходит несколько последовательных переходов. Угол наклона молекул в плёнке меньше всего в центре. Переходы происходят в центре плёнки аналогично тому, что в объёмном образце переход в фазу происходит при малой величине параметра порядка. Температуры переходов увеличиваются с уменьшением толщины плёнки. Переходы между структурами должны сопровождаться изменением направления поляризации на 90°: продольная-поперечная-продольная поляризация в плёнках с чётным числом слоев, поперечная-продольная-поперечная в плёнках с нечётным числом слоев. Результаты расчётов соответствуют экспериментально наблюдавшимся (Глава 3).

В ГЛАВЕ 5 описаны эксперименты по исследованию поведения капель высокотемпературной фазы (нематика, изотропной жидкости) в плёнках смектических ЖК. Капли образовывались либо при нагреве плёнки до температуры, превышающей температуру объёмного фазового перехода, либо при освещении плёнки с примесью азокрасителя. Использование магнитного поля позволило впервые провести наблюдения в ориентированных плёнках смектика С для капель, взаимодействующих посредством деформации внутрислоевого поля молекулярного упорядочения. Наблюдение плёнок в магнитном поле позволяет определить конфигурацию молекулярного упорядочения вблизи капли. При одной и той же ориентации с-директора на границе капли

(планарые граничные условия) наблюдались конфигурации молекулярного поля трёх разных типов: квадрупольного, дипольного и куло-новского. Дипольная конфигурация с одним топологическим дефектом для планарных граничных условий была предсказана ранее [19], однако для капель экспериментально до сих пор не наблюдалась. Ориентация и взаимодействие капель коррелируют с предсказаниями теории, основанной на электромагнитной аналогии [19,20].

Большое число капель, близких по размеру, может быть получено при освещении пленки ЖК с примесью азокрасителя [21]. Изучены самоорганизация капель и образование одномерных и двумерных структур. При большой концентрации капель наблюдалось образование гексагональной и в ряде случаев квадратной структуры. Для кристаллических структур зависимость между диаметром капель и межчастичным расстоянием близка к линейной. Капли малых размеров (<8 мкм) могли образовывать линейные цепочки.

В большинстве проведённых к настоящему моменту исследований механизм межчастичного взаимодействия связывался с упругой деформацией поля молекулярного упорядочения в плоскости плёнки. Однако наличие включений должно приводить также к упругой деформации смектических слоев и всей плёнки. Возможно, что доминирующее взаимодействие, проявляющееся при образовании гексагональных структур, связано с деформацией смектических слоев плёнки. Тем не менее образование цепочек и квадратной структуры может свидетельствовать о вкладе взаимодействия посредством деформации поля молекулярного упорядочения. Наблюдалось взаимодействие капель с дислокациями, в частности, капли могут зарождаться и удерживаться на линии дислокации. Локализация капель на дислокациях может быть связана с уменьшением энергии деформации смектических слоев, поскольку для участка, находящегося внутри капли, линейное натяжение, связанное с энергией дислокации, исчезает.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. Впервые измерена оптическая анизотропия поляризованного от-, ражения от сверхтонких плёнок антисегнетоэлектрического жидкого кристалла, определена температурная зависимость модуля параметра порядка (угла наклона молекул) в плёнках различной толщины.

2.Обнаружено, что в тонких плёнках фазовые переходы БшС'а— заменяются переходами между планарными структурами, число которых увеличивается с увеличением толщины плёнки. Переходы между структурами происходят с изменением направления электрической поляризации на 90°.

3. Исследован переход из антисегнетоэлектрической фазы в сегнето-электрическую в сверхтонких плёнках (2-7 молекулярных слоев). Температура перехода в синклинную структуру в сверхтонких плёнках в случае объёмных фазовых переходов 8шС*а— 8тС*п|—БтС* увеличивается с уменьшением толщины плёнок.

4. Проведены исследования ориентационных дефектов

стенок) в плёнках неполярного смектика С и антисегнетоэлектри-ческого ЖК. Результаты исследований позволили определить двумерные упругие константы поля с-директора ориентаци-онную вязкость, величину поляризации сверхтонких плёнок.

5. Исследованы электрооптические и магнитооптические эффекты в тонких плёнках, связанные с волной переключения ориентации с-директора в магнитном поле и коллективной переориентацией с-директора в электрическом поле.

6. Проведены расчёты структур объёмных образцов и тонких плёнок полярных жидких кристаллов. Расчёты впервые проведены с минимизацией свободной энергии по фазе и модулю двухкомпонент-ного параметра порядка. В сегнетиэлектрической 5тС*рц структуре как фаза, так и модуль параметра порядка меняются от слоя к слою. В расчётах может быть получена последовательность структур, соответствующая наблюдаемой в эксперименте.

7. Впервые исследовано взаимодействие капель высокотемпературной фазы (нематик) в ориентированных магнитным полем смекти-ческих плёнках. Наблюдалось образование одномерных и двумерных структур из капель.

Цитированная литература:

[1] П.Ж. де Жен. Физика жидких кристаллов (пер. англ.) М., «Мир» 1977-401стр.

[2] JI.M. Блинов. Электро- и магнитооптика жидких кристаллоз М., «Наука» 1978-384 стр.

[3] С.А. Пикин. Структурные превращения в жидких кристаллах М. «Наука» 1981 -336 стр.

[4] R.B. Meyer, L. Liebert, L. Strzelecki, and P. Keller. J. Phys. (France) Lett., 1975,36, p.L69.

[5] A.L.D. Chandani, E. Gorecka, Y. Ouchi, H. Takezoe and A. Fukuda. Japanese J. Appl. Phys., 1989,28, p.L1265.

[6] A. Fukuda, Y. Takanishi, Isozaki, K. Ishikawa and II. Takezoe. J. Mater. Chem., 1994,4, p.997.

[7] P.Mach, R. Pindak, A.-M. Levelut, P. Barois, H.T. Nguyen, C.C. Huang, and L. Furenlid. Phys. Rev. Lett. 1998,81, p.1015.

[8] P.M. Johnson, S. Pankratz, P. Mach, H.T. Nguyen, and C.C. Huang. Phys. Rev. Lett., 1999,83, p.4073.

[9] G. Friedel. Ann. Phys. (Paris), 1922,18, p.273.

[10] P. Pieranski, L. Beliard, J.-Ph. Tournellec, X. Leoncini, C. Furtlehner, H. Dumoulin, E. Riou, B. Jouvin, J.-P. Fenerol, Ph. Palaric, J. Heuving, B. Cartier, and I. Kraus, Physica A, 1993,194, p.364.

[11] S. Heinekamp, RA. Pelkovits, E. Fontes, E. Chen, R. Pindak, and R.B. Meyer. Phys. Rev. Lett., 1984,52, p.1017.

[12] R. Pindak, C.Y. Young, R.B. Meyer, NA. Clark. Phys. Rev. Lett., 1980,45, p.1193.

[13] D.R. Link, L. Radzihovsky, G. Natale, J. E. Maclennan, NA. Clark, M. Walsh, S.S. Keast and M.E. Neubert. Phys. Rev. Lett., 84,5772 (2000).

[14] A. Fera, R. Opitz, W.H. de Jeu, B.I. Ostrovskii, D. Schlauf, and Ch. Bahr. Phys. Rev E, 2001,64, p.021702.

[15] D.R. Link, G. Natale, NA. Clark, J.E. Maclennan, M. Walsh, S.S. Keast, and M.E. Neubert Phys. Rev. Lett., 1999,82, p.2508.

[16] B. Rovsek, M. Ceptf, and B. ¿eks. Phys. Rev. E, 1996,54, p.R3113.

[17] B. Rovsek, M. Cepii, and B. ¿eks. Phys. Rev. E, 2000,62, p.3758.

[18] E. Gorecka, D. Pociecha, M. Cepii, B. 2eks, and R. Dabrowski. Phys. Rev. E, 2002,65, p.061703.

[19] D. Pettey, T.C. Lubensky, and D. Link. Liq. Cryst., 1998,25, p.5.

[20] M. Tasinkevych, N.M. Silvestre, P. Patricio, and M.M. Telo da Gama. Eur. Phys. J. E, 2002,9, p.341.

[21] E.I. Demikhov, M. John and K. Krohn. Liq. Cryst., 1997,23, p.443.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. P.V. Dolganov, J.W. Goodby, A. Seed. Optical reflectivity study of synclinic and anticlinic structures in thin freely suspended smectic films // Eur. Phys. J. E, 2000,3, pp.7-10.

2. P.V. Dolganov, Y. Suzuki, and A. Fukuda. Structural transitions in thin free-standing films of an antiferroelectric liquid crystal exhibiting the smectic-C0 phase in the bulk sample // Phys. Rev. E, 2002, 65, pp.031702-1 -031702-7.

3. P.V. Dolganov, E.I. Demikhov, Y. Suzuki, and A. Fukuda. Temperature- and Field-Induced Transitions in Free-Standing Films of Antiferroelectric Liquid Crystal // ЖЭТФ, 2002,122, стр.840-848.

4. P.V. Dolganov, V.M. Zhilin, V.E. Dmitrienko, E.I. Kats. Polar Smectic Subphases: Phase Diagrams, Structures and X-ray Scattering // Письма в ЖЭТФ, 2002,76, стр.579-582.

5. P.V. Dolganov, V.lvL Zhilin, V.K. Dolganov, E.I. Kats. Structures and phase transitions in polar smectic liquid crystals // Phys. Rev. E, 2003,67, pp.041716-1-041716-12.

6. П.В. Долганов и Б.М. Болотин. Ориентационные дефекты в свободно подвешенных смектических С плёнках // Письма в ЖЭТФ, 2003,77, стр.503-508.

Долганов Павел Владимирович

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В ТОНКИХ СВОБОДНО ПОДВЕШЕННЫХ ПЛЕНКАХ СМЕКТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Автореферат

Сдано в набор 16.01.2004 г. Подписано в печать 20.01.2004 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Гарнитура «Тайме». Объём I п. л. Зак. 9. Тир. 80.

Оригинал-макет изготовлен в редакционно-издательском отделе ИПХФ РАН . Изд.лиц.№03894от30января2001 г.

ф

142432, п. Черноголовка, Московская обл., Институтский пр-т, 15 Отпечатано в типографии ИПХФ РАН

РНБ Русский фонд

2004-4 27451

Введение

Глава 1. Методика экспериментальных исследований свободно подвешенных плёнок

§1.1 Приготовление образцов

§1.2 Методика оптических измерений: отражение, микроскопия, исследования в электрическом и магнитном поле

§1.3 Использованные вещества

Актуальность темы диссертации.

Жидкие кристаллы (ЖК) состоят из анизотропных органических молекул [1]. В нематических ЖК (нематиках) молекулы одноосно ориентационно упорядочены. Единичный вектор, определяющий направление ориентации длинных осей молекул, называется директором п. Направления п и —п эквивалентны, отсюда, в частности, следует, что нематик не обладает спонтанной электрической поляризацией. Смектические фазы характеризуются одномерным слоевым упорядочением, фактически они представляют собой одномерные кристаллы. В смектической А (БшЛ) фазе длинные оси молекул перпендикулярны плоскости слоёв. В смектической С (SmС) фазе длинные оси наклонены по отношению к нормали на некоторый угол. Проекция осей на плоскость слоёв называется с-директором. Угол наклона молекул в может рассматриваться как параметр порядка смектической С фазы. Таким образом, смектик С в направлении, перпендикулярном слоям, представляет собой одномерный кристалл, а в плоскости слоёв — двумерную ориентированную жидкость. Направление наклона молекул в различных слоях смектика С одно и то же (т.н. синклинная структура). В отличие от нематического n-директора, двумерное поле с-директора не обладает эквивалентностью направлений с и —с. Это, в частности, приводит к важным следствиям, связанным с типом и конфигурацией топологических дефектов в смектике.

ЖК могут быть образованы хиральными молекулами, то есть молекулами, не совпадающими со своим зеркальным отражением. Это приводит к существенным изменениям свойств ЖК. Фазы, образованные хиральными молекулами, обычно обозначают звёздочкой (например Sm С*). Для смектических фаз эффект хиральности заключается в следующем. Направление плоскости наклона молекул поворачивается от слоя к слою, т.е. образуется спиральная структура. Как было показано Мейером и др. [2], хиральность приводит также к электрической поляризации, перпендикулярной плоскости наклона молекул. Шаг спирали в SmC* фазе составляет обычно порядка нескольких сотен нанометров, поэтому объёмные образцы, толщина которых значительно больше шага спирали, не обладают спонтанной поляризацией в отсутствии электрического поля. Образцы малых размеров (меньше шага спирали), тонкие плёнки обладают спонтанной поляризацией. В 1989 году была открыта антисегнетоэлектрическая фаза SmC^ [3]. В этой фазе молекулы в соседних слоях наклонены в противоположные стороны (т.н. антиклинная структура). На эту двуслойную ячейку также накладывается спираль с шагом, составляющим несколько сотен нанометров. Вскоре [4] были открыты другие фазы (SmС*, SmC*Fn, SmCf/2). Они образуются, как правило, в сравнительно узком температурном интервале. Структура этих фаз была определена лишь в последние годы [5-9]. SmC* фаза имеет непланарную спиральную структуру с шагом, составляющим несколько молекулярных слоев. Сегнетиэлектрическая фаза SmC*Fn обладает трёхслойной элементарной ячейкой, фаза SmC^./2 имеет период, равный четырём слоям.

Кроме того, существует другой класс ЖК со слоевым упорядочением, так называемые гексатические фазы или гексатики [10,11]. Они характеризуются особым типом упорядочения в плоскости слоёв — ориентационно упорядоченными связями (bond orientational order). Направление связей между молекулами сохраняется на далёких расстояниях. Существование таких фаз было предсказано в связи с двумерной теорией плавления [12]. Для структур с гексатическим упорядочением характерна дифракционная картина шестого порядка [13, 14]. Помимо гексатической фазы SmB, в которой молекулы перпендикулярны смектическим слоям, также существуют фазы с ориентационным упорядочением связей с наклонёнными в плоскости слоёв молекулами (SmF, Sm/, SmL).

Смектические ЖК могут образовывать тонкие свободно подвешенные плёнки. Такие плёнки наблюдались Фриделем ещё в 20-х годах XX века [15]. Их существование приводилось в качестве одного из доказательств слоистой структуры смектиков. Смектические слои в плёнках параллельны двум границам ЖК с воздухом, которые являются плоскими, т.к. упругость слоёв и поверхностное натяжение стремятся уменьшить площадь поверхности. Толщина плёнок может составлять от двух до нескольких тысяч смектических слоёв. Плёнки, состоящие из более чем сотни слоёв, могут рассматриваться как объёмные системы. Тонкие плёнки по поведению часто приближаются к двумерным системам. Высокое совершенство свободно подвешенных плёнок позволяет получать и исследовать монодоменные образцы в широком интервале толщин. В настоящее время не удаётся получить неорганические плёнки таких же размеров аналогичного качества. Благодаря высокому качеству плёнки являются очень удобными объектами для исследований. Можно отметить, например, что окончательное подтверждение структуры антисегнетоэлектрической фазы было получено при исследовании тонких свободно подвешенных плёнок [16]. Эксперименты по определению структуры субфаз [5, 7, 8] также проводились на свободно подвешенных плёнках. В отличие от образцов в кюветах, для полной ориентации молекул в которых в ряде случаев могут требоваться достаточно сильные поля, ориентация плоскости наклона молекул хиральных ЖК может быть осуществлена значительно более слабым электрическим полем (менее 1 В/мм). Тот факт, что плоскость слоёв представляет собой в ряде случаев двумерную ориентированную жидкость, делает плёнки весьма удобной модельной системой для исследования различных явлений в двумерных системах. Дополнительным преимуществом является отсутствие влияния подложки на структуру. Свойства и эффекты, вызванные наличием поверхности, связанные с пониженной размерностью системы, размерные эффекты чрезвычайно широко исследуются в плёнках.

Важным свойством свободно подвешенных плёнок является то, что свободная поверхность может стабилизировать более упорядоченную фазу, которая в объёмных образцах наблюдается при более низких температурах или не наблюдается вовсе. Такое поведение противоположно поведению твёрдых тел, в которых поверхность приводит к уменьшению упорядочения и поверхностному плавлению

17]. Поверхностное замораживание флуктуаций смектического слоевого порядка

18] приводит к тому, что смектические плёнки существуют выше температуры объёмного фазового перехода в структуру без смектического упорядочения (нематик, изотропную жидкость). Одним из интересных проявлений являются послойные переходы утонынения, при которых толщина плёнки при нагреве скачком уменьшается на один или несколько молекулярных слоёв [19-21]. Эффекты поверхностного упорядочения также играют существенную роль для перехода из БшЛ в фазы с наклонёнными молекулами. Тонкие плёнки сегнетоэлектрика с синклинным упорядочением исследуются уже достаточно давно [22, 23]. К настоящему времени надёжно установлено, что в веществах с фазовым переходом БшС'-ЗшЛ свободная поверхность индуцирует наклон молекул в поверхностных слоях [16, 18, 22-25] и приводит к сдвигу перехода в тонких плёнках в высокотемпературную область.

В плёнках были обнаружены гексатические фазы с ориентационноупорядоченными связями. Для переходов в эти фазы из БшЛ поверхностное упорядочение и эффекты ограниченных размеров также являются существенными. В отличие от перехода SmC*-Sm.(4 в данном случае наблюдались послойные переходы в тонких плёнках в гексатик [26, 27] и в кристаллические фазы [27, 28].

Тонкие плёнки антисегнетоэлектрических ЖК исследовались меньше. Проведены исследования тонких плёнок БтСд с использованием оптического микроскопа [2931]. Было показано, что тонкие плёнки в отличие от объёмного образца обладают электрической поляризацией, обнаружены эффекты, связанные с чётностью числа слоёв. В плёнках с чётным числом слоев поляризация параллельна плоскости наклона молекул, в плёнках с нечётным числом слоёв перпендикулярна плоскости наклона молекул; обнаружен различный характер флуктуаций и релаксации поля с-директора в плёнках с чётным и нечётным числом слоёв и т.д. Важный комплекс проблем связан с топологическими дефектами в двумерной системе. В тонких плёнках с антиклинной структурой исследовались линейные ориентационные дефекты молекулярного поля с-директора, из динамики релаксации дефектов были определены ряд соотношений между константами ориентационной вязкости, упругости и поляризации плёнок [31].

В то же время большой комплекс вопросов остаётся неисследованным или изученным крайне слабо. В первую очередь это касается структур с антиклинным и непланарным упорядочением молекул и фазовых переходов между ними. До начала выполнения настоящей работы практически не проводились исследования субфаз в тонких плёнках, не была измерена величина параметра порядка в тонких плёнках антисегнетоэлектрика. Также до конца не ясна ситуация относительно перехода между антисегнетоэлектрической и сегнетоэлектрической фазами в тонких плёнках. Были получены данные, указывающие как на сдвиг перехода в высокотемпературную область, аналогично другим переходам в ЖК [16], так и в низкотемпературную область [29, 32]. Сложное поведение может быть связано с тем, что переход антисегнетоэлектрик-сегнетоэлектрик происходит с участием конкурирующих межслоевых взаимодействий; в тонких плёнках часть из них отсутствует для поверхностных слоёв, что может привести к сложной картине переходов. Что касается фазы Smчисленные расчёты показывают, что влияние поверхности и эффект ограниченных размеров могут привести к образованию в тонких плёнках при высокой температуре планарных структур [33]. Это, однако не является обязательным, так, при определённых значениях расчётных параметров непланарные структуры типа SmC* могут образовываться в сравнительно тонких плёнках даже при отсутствии фазы SmC* в объёмном образце [34]- Многие вопросы, касающиеся ориентационных дефектов в плёнках, не прояснены. Например, не были изучены линейные дефекты в плёнках неполярных SmC структур. Это связано с тем, что для таких исследований необходимо ориентировать с-директор в плёнке, но это не удавалось сделать электрическим полем.

Таким образом, за последние два десятилетия проведено большое число исследований и получена существенная информация о свободно подвешенных плёнках Sm/l, гексатиках, послойных переходах, переходах утоньшения. Хорошо исследованы сегнетоэлектрические SmC* плёнки. В то же время плёнки с антиклинным упорядочением исследованы существенно меньше. Фазовые переходы с участием субфаз (SmC^-SmC*-Sm/l, SmC^-SmC^n-SmC*) в плёнках практически не исследовались. Более того, фундаментальная наклонная фаза — смектик С исследовалась, как правило, в неориентированных свободно подвешенных плёнках.

В последние годы исследования объёмных образцов смектических ЖК с непланарным и антиклинным межслоевым упорядочением были одним их наиболее актуальных направлений изучения ЖК. Это связано с рядом причин. Во-первых, эти фазы обладают необычной для ЖК структурой. В течение долгого времени характер упорядочения в этих фазах не удавалось определить. Для описания образования таких фаз были разработаны различные теории, включающие фрустрационные взаимодействия между слоями. В первой модели типа Изинга [4, 35-37] структура субфаз характеризовалась либо синклинным, либо антиклинным упорядочением молекул в элементарной ячейке. Предположение о планарном упорядочении молекул было основано на известной структуре фаз SmC* и SmC^, в которых ориентация молекул в соседних слоях практически копланарная. Фрустрационное взаимодействие между слоями, предполагаемое в этой модели, могло привести к различным последовательностям синклинных и антиклинных ориентации молекул в элементарной ячейке, т.н. devil's staircase. Несоответствие планарной модели экспериментальным данным привело к разработке т.н. разупорядоченной модели Изинга. Модель второго типа [38-40] основана на рассмотрении короткошаговых мод. В этой полуфеноменологической модели неоднородная по объёму часть свободной энергии выбирается в виде серии гармонических функций, соответствующих короткошаговым флуктуационным модам. Третья модель [33,34, 41,42] основана на использовании для описания структуры субфаз двухкомпонентного параметра порядка £ (двумерного вектора), который является однородным в плоскости каждого слоя, и на антиклинном взаимодействии молекул через один слой (ANNNIXY-модель, от Antiferroelectric Next-Nearest Neighbour Interaction XY-model). Антиклинные взаимодействия через один слой приводят к фрустрациям и к образованию соизмеримых или несоизмеримых с толщиной смектического слоя структур.

Интерес к изучению полярных смектических фаз не в последнюю очередь связан с их чрезвычайно широким потенциалом для практических применений. Был обнаружен ряд электрооптических эффектов в БшСД и субфазах, переходы в электрическом поле между различными фазами, которые перспективны в практических приложениях. Наличие у слоёв электрической поляризации делает хиральные смектики перспективными для использования в устройствах, основанных на переориентации молекул электрическим полем. Потенциально по многим характеристикам дисплеи на смектических ЖК превосходят существующие модели.

В последние годы большой интерес вызывают исследования межчастичного взаимодействия и структурного упорядочения в системах с частицами больших размеров [43-48]. Всевозможные явления в них происходят в реальном для человеческого восприятия пространственно-временном масштабе, поэтому они могут быть модельными системами для классической физики конденсированного состояния. В последние годы было показано, что макроскопические частицы (микронных и более размеров), не создающие дальнодействуюших электрических и магнитных полей, могут тем не менее эффективно взаимодействовать на расстояниях, соизмеримых и существенно превышающих размеры частиц. Эти взаимодействия могут привести к нетривиальному коллективному поведению частиц, их структурной самоорганизации и кристаллизации с образованием макроскопических кристаллов из больших частиц.

В жидких кристаллах межчастичные взаимодействия связаны с нарушением равновесного ориентационного упорядочения окружающей среды. Жёсткая ориентация молекул на границе частицы приводит к упругой деформации молекулярного поля жидкого кристалла и возникновению вблизи включений топологических дефектов молекулярного поля. Свободно подвешенные плёнки смектика С идеально подходят для исследования взаимодействий и упорядочения включений в двумерной геометрии. В последние годы было проведено большое число теоретических исследований включений в ЖК как для объёмных образцов, так и для плёнок [43, 45, 49-57]. Не все из теоретически предсказанных конфигураций молекулярного поля в плёнках наблюдались экспериментально. В частности, это может быть связано с тем, что до настоящего времени не были проведены исследования включений в ориентированных плёнках.

Цель настоящей диссертационной работы — оптические исследования структур, образующихся в тонких свободно подвешенных плёнках смектических жидких кристаллов с антиклинной и синклинной ориентацией молекул. Основные задачи можно сформулировать следующим образом:

Исследование ориентационного упорядочения в тонких плёнках с антиклинной структурой, его зависимости от температуры и толщины плёнки.

Исследование фазовых переходов между фундаментальными фазами (SmC^, SmС*, Sm/l) и субфазами (SmC*, SmCf/j) в тонких плёнках, влияния поверхности на структуру и фазовые переходы. Определение типа структур, образующихся в тонких плёнках, зависимости температур переходов от толщины плёнки.

Исследование линейных ориентационных дефектов в плёнках с синклинной и антиклинной структурой. Исследование связи структуры дефекта с характеристиками ЖК, определение двумерных упругих констант.

Описание структур и фазовых переходов в тонких плёнках с использованием дискретной феноменологической теории Ландау. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Изучение взаимодействия, упорядочения и ориентации дефектов и включений (капель нематика, изотропной жидкости) в смектических плёнках.

Были получены следующие основные результаты:

1. Впервые измерена оптическая анизотропия поляризованного отражения от сверхтонких плёнок антисегнетоэлектрического жидкого кристалла, определена температурная зависимость модуля параметра порядка в плёнках различной толщины.

2. Обнаружено, что переход SmC^-SmC'-Sm/l в тонких плёнках заменяется переходами между планарными структурами. Переходы происходят с изменением на 90° направления электрической поляризации: поперечная-продольная-поперечная поляризация в плёнках с нечётным числом смекти-ческих слоёв, продольная-поперечная-продольная в плёнках с чётным числом смектических слоёв.

3. Исследован переход из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую (SmC^-SmC^j-SmC*) в сверхтонких плёнках (2-7 молекулярных слоёв). Температуры переходов в синклинную структуру увеличиваются с уменьшением толщины плёнки.

4. Впервые исследованы линейные ориентационные дефекты (2л-- и 7г-стенки) в тонких свободно подвешенных плёнках в магнитном поле. Обнаружено, что структура дефектов зависит от их ориентации относительно направления поля, что связано с различием величин двумерных упругих констант. Впервые определена анизотропия констант двумерной ориентационной упругости в антиклинной и SmC структурах.

5. Исследованы электрооптические и магнитооптические эффекты в тонких плёнках, связанные с волной переключения ориентации с-директора в магнитном поле и коллективной переориентацией с-директора в электрическом поле.

6. Проведены расчёты структур объёмных образцов и тонких плёнок полярных жидких кристаллов. Впервые расчёты проведены с минимизацией свободной энергии по фазе и модулю двухкомпонентного параметра порядка. Показано, что сегнетиэлектрическая SmC£n структура образована изменением от слоя к слою как фазы, так и модуля параметра порядка. В расчётах получена последовательность структур, соответствующая наблюдаемой в эксперименте.

7. Исследовано взаимодействие капель высокотемпературной фазы (нематик) в ориентированных магнитным полем плёнках. Наблюдалось образование одномерных и двумерных структур из капель нематика и изотропной жидкости.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и списка работ автора по теме диссертации.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Впервые измерена оптическая анизотропия поляризованного отражения от сверхтонких плёнок антисегнетоэлектрического жидкого кристалла, определена температурная зависимость модуля параметра порядка (угла наклона молекул) в плёнках различной толщины.

2. Обнаружено, что в тонких плёнках фазовые переходы SmC^-SmC'-Sm/l заменяются переходами между планарными структурами, число которых увеличивается с увеличением толщины плёнки. Переходы между структурами происходят с изменением направления электрической поляризации на 90°.

3. Исследован переход из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую в сверхтонких плёнках (2-7 молекулярных слоёв). Температура перехода в синклинную структуру в сверхтонких плёнках в случае объёмных фазовых переходов SmC^-SmCj^-Sm/l увеличивается с уменьшением толщины плёнок.

4. Проведены исследования ориентационных дефектов (2тг- и 7г-стенок) в плёнках неполярного смектика С и антисегнетоэлектрического ЖК. Результаты исследований позволили определить двумерные упругие константы поля с-директора Kt и Кь, ориентационную вязкость, величину поляризации сверхтонких плёнок.

5. Исследованы электрооптические и магнитооптические эффекты в тонких плёнках, связанные с волной переключения ориентации с-директора в магнитном поле и коллективной переориентацией с-директора в электрическом поле.

6. Проведены расчёты структур объёмных образцов и тонких плёнок полярных жидких кристаллов. Расчёты впервые проведены с минимизацией свободной энергии по фазе и модулю двухкомпонентного параметра порядка. В сегнетиэлектрической SmCpn структуре как фаза, так и модуль параметра порядка меняются от слоя к слою. В расчётах может быть получена последовательность структур, соответствующая наблюдаемой в эксперименте.

7. Впервые исследовано взаимодействие капель высокотемпературной фазы (пематик) в ориентированных магнитным полем смектических плёнках. Наблюдалось образование одномерных и двумерных структур из капель.

Заключение.

1. П.Ж. де Жен, Физика жидких кристаллов М., "Мир" 1977.

2. R.B. Meyer, L. Ltebert, L. Strzelecki, and P. Keller, Ferroelectric Liquid Crystals // J. Phys. (France) Lett. 36, L69 (1975).

3. A.L.D. Chandani, Ewa Gorecka, Yukio Ouchi, Hideo Takezoe and Atsuo Fukuda, Antifer-roelectric Chiral Smectic Phases Responsible for the Tristable Switching in MHPOBC // Japanese J. Appl. Phys. 28, L1265 (1989).

4. A. Fukuda, Y. Takanishi, Isozaki, K. Ishikawa and H. Takezoe, Antiferroelectric Chiral Smectic Liquid Crystals // J. Mater. Chem. 4, 997 (1994).

5. P.Mach, R. Pindak, A.-M. Levelut, P. Barois, H.T. Nguyen, C.C. Huang, and L. Furen-lid, Structural Characterization of Various Chiral Smectic-C Phases by Resonant X-Ray Scattering // Phys. Rev. Lett. 81, 1015 (1998).

6. P.M. Johnson, S. Pankratz, P. Mach, H.T. Nguyen, and C.C. Huang, Optical Reflectivityand Ellipsometry Studies of the Sm-C* Phase // Phys. Rev. Lett. 83, 4073 (1999).

7. D. Schlauf, Ch. Bahr, and H.T. Nguyen, Structure of the chiral smectic-C* phase // Phys. Rev. E. 60, 6816 (1999).

8. C.C. Huang and T. Stoebe, Thermal properties of "stacked hexatic phases" in liquid crystals // Adv. Phys. 42, 343 (1993).

9. J.D. Brock, R.J. Birgeneau, J.D. Litster and A. Aharony, Hexatic ordering in liquid crystal films // Contemp. Phys. 30, 321 (1989).

10. D.R. Nelson and B.I. Halperin, Dislocation-mediated melting in two dimensions // Phys. Rev. В 19, 2457 (1979).Щ

11. M. Cheng, J.T. Ho, S.W. Hui, and R. Pindak, Observation of Two-Dimensional Hexatic Behavior in Free-Standing Liquid-Crystal Thin Films // Phys. Rev. Lett. 61, 550 (1988).

12. R. Pindak, D.E. Moncton, S.C. Davey, and J.W. Goodby, X-Ray Observation of a Stacked Hexatic Liquid-Crystal В Phase // Phys. Rev. Lett. 46, 1135 (1981).

13. G. FYiedel, Les Etats M6somorphes de la МаЫёге // Ann. Phys. (Paris), 18, 273 (1922).

14. Ch. Bahr and D. Fliegner, Ferroelectric-Antiferroelectric Phase Transition in a Two-Molecular-Layer FYee-Standing Liquid-Crystal Film // Phys. Rev. Lett. 70, 1842 (1993).

15. H. Dosch, Critical Phenomena at Surfaces and Interfaces // Springer, Berlin (1992).

16. W.H. de Jeu, B.I. Ostrovskii, and A.N. Shalaginov, Structure and fluctuations of smectic membranes // Rev. Mod. Phys. 75, 181 (2003).

17. S. Stoebe, P. Mach, and C.C. Huang, Unusual Layer-Thinning Transition Observed near the Smectic-Л-Isotropic Transition in Free-Standing Liquid-Crystal Films // Phys. Rev. Lett. 73, 1384 (1994).

18. E.I. Demikhov, V.K. Dolganov and K.P. Meletov, Step-by-step thinning of free-standing films above the smectic-Л-nematic phase transition // Phys. Rev. E 52, R1285 (1995).

19. V.K. Dolganov, E.I. Demikhov, R. Fouret and C. Gors, Free-standing films above the bulk smectic-nematic-isotropic transitions // Phys. Lett. A 220, 242 (1996).

20. Ch. Bahr, Influence of dimensionality and surface ordering on phase-transition-studies of freely suspended liquid-crystal films // (1994).

21. S. Heinekamp, R.A. Pelkovits, E. Fontes, E. Chen, R. Pindak, and R.B. Meyer, Smectic-C* to Smectic-Л Transition in Variable-Thickness Liquid-Crystal Films: Order-Parameter Measurements and Theory // Phys. Rev. Lett. 52, 1017 (1984).

22. T. Stoebe and C.C. Huang, Physical Properties of thin substrate-free liquid-crystal films // Int. J. Mod. Phys. В 9, 2285 (1995).

23. S.M. Amador and P.S. Pershan, Light-scattering and ellipsometry studies of the two-dimensional smectic-C to smectic-Л transition in thin liquid-crystal films //Phys. Rev. A 41, 4326 (1990).

24. C.Y. Chao, C.F. Chou, J.T. Ho, S.W. Hui, A.J. Jin, and C.C. Huang, Nature of Layer-by-Layer FYeezing in FYee-Standing 40.8 Films // Phys. Rev. Lett. 77, 2750 (1996).

25. A.J. Jin, T. Stoebe, and C.C. Huang, Nature of the layer-by-layer transition associated withthe smectic-A—crystal-B transition in free-standing liquid-crystal films // Phys. Rev. E 49, R4791 (1994).

26. D.R. Link, J.E. Maclennan, and N.A. Clark, Simultaneous Observation of Electric Field Coupling to Longitudinal and Transverse Ferroelectricity in a Chiral Liquid Crystal // Phys. Rev. Lett. 77, 2237, (1996).

27. D.R. Link, G. Natale, N.A. Clark, J.E. Maclennan, M. Walsh, S.S. Keast and M.E. Neubert, Anticlinic Smectic-C Surfaces on Smectic-A Freely Suspended Liquid-Crystal Films // Phys. Rev. Lett. 82, 2508 (1999).

28. D.R. Link, L. Radzihovsky, G. Natale, J. E. Maclennan, N.A. Clark, M. Walsh, S.S. Keast and M.E. Neubert, Ring-pattern Dynamics in Smectic-C* and Smectic-СД Freely Suspended Liquid Crystal Films // Phys. Rev. Lett. 84, 5772 (2000).

29. E.I. Demikhov, Dimensional croosover of the phase diagram in ferroelectric smectic freestanding films // Письма в ЖЭТФ 61, 951 (1995).

30. В. RovSek, М. CepiC, and В. ZekS, Uniplanar smectic phases in free-standing films // Phys. Rev. E 62, 3758 (2000).

31. B. Rov5ek, M. CepiC and B. ZekS, Surface Transition in Free Standing Films of Antiferro-electric Liquid Crystals Within the Discrete Phenomenological Model // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 329, 365 (1999).

32. Y. Takanishi, K. Hiraoka, V. Agrawal, H. Takezoe, A. Fukuda, and M. Matsushita, Stability of Antiferroelectricity and Causes for its Appearance in SmC* and SmC^ Phases of a Chiral Smectic Liquid Crystal, MHPOBC // Jpn. J. Appl. Phys. 30, 2023 (1991).

33. T. Akizuki, K. Miyachi, Y. Takanishi, K. Ishikawa, H. Takezoe, and A. Fukuda, Molecular orientational structures with macroscopic helix in antiferroelectric liquid crystal subphases // Jpn. J. Appl. Phys. 38, 4832 (1999).

34. S.A. Pikin, S. Hiller, and W. Haase, Short-pitch modes approach to the problem of antifer-roelectricity in liquid crystals // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 262, 425 (1995).

35. S.A. Pikin, M. Gorkunov, D. Kilian, and W. Haase, The semi-phenomenological model ofantiferroelectricity in chiral smectic liquid crystals // Liq. Cryst. 26, 1107 (1999).

36. M. Gorkunov, S. Pikin, and W. Haase, Short-pitch and long-pitch modes as a key for the understanding of phase sequences and types of ordering in antiferroelectric smectic liquid crystals // Письма в ЖЭТФ, 72, 81 (2000).

37. В. RovSek, М. Gepi6, and В. ZekS, Optical properties of antiferroelectric liquid crystals in free-standing films // Phys. Rev. E 54, R3113 (1996).

38. A. Roy and N.V. Mathusudana, Electric-field-induced structural transitions in antiferroelectric liquid crystals // Europhys. Lett. 41, 501 (1998).

39. T.C. Lubensky, D. Pettey, N. Currier, and H. Staxk, Topological defects and interactions in nematic emulsions // Phys. Rev. E 57, 610 (1998).

40. P. Poulin and D.A. Weitz, Inverted and multiple nematic emulsions // Phys. Rev. E 57, 623 (1998).

41. H. Stark, Director field configurations around a spherical particle in a nematic liquid crystal // Eur. Phys. J. E 10, 311 (1999).

42. J.-C. Loudet, P. Barois, and P. Poulin, Colloidal ordering from phase separation in a liquid-crystalline continuous phase // Nature 407, 611 (2000).

43. P. Poulin, H. Stark, T.C. Lubensky, and D.A. Weitz, Novel Colloidal Interactions in Anisotropic Fluids // Science 275, 1770 (1997).

44. V.G. Nazaxenko, A.B. Nych, and B.I. Lev, Crystal Structure in Nematic Emulsion // Phys.

45. Rev. Lett. 87, 075504 (2001).

46. J. Fukuda, B.I. Lev, and H. Yokoyama, Interaction of foreign macropaxticles in a cholesteric liquid crystal // Phys. Rev. E 65, 031710 (2002).

47. J. Fukuda and H. Yokoyama, Director configuration and dynamics of a nematic liquid crystal around a two-dimensional spherical particle: Numerical analysis using adaptive grids // Eur. Phys. J. E 4, 389 (2001).

48. M. Tasinkevych, N.M. Silvestre, P. Patri'cio, and M.M. Telo da Gama, Colloidal interactions in two-dimensional nematics // Eur. Phys. J. E 9, 341 (2002).

49. E.M. Terentjev, Disclination loops, standing alone and around solid particles, in nematic liquid crystals // Phys. Rev. E 51, 1330 (1995).

50. R.W. Ruhwandl and E.M. Terentjev, Long-range forces and aggregation of colloid particles in a nematic liquid crystal // Phys. Rev. E 55, 2958 (1997).

51. S. Ramaswamy, R. Nityananda, V.A. Raghunathan, and J. Prost, Power law forces between particles in nematic // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 288, 175 (1996).

52. D. Pettey, T.C. Lubensky, and D. Link, Topological inclusions in 2D smectic С films // Liq. Cryst. 25, 5 (1998).

53. P. Pieranski, L. Beliard, J.-Ph. Tournellec, X. Leoncini, C. Furtlehner, H. Dumoulin, E. Riou, B. Jouvin, J.-P. Fdnerol, Ph. Palaric, J. Heuving, B. Cartier, and I. Kraus, Physics of smectic membranes // Physica A 194, 364 (1993).

54. I. Kraus, P. Pieranski, E.I. Demikhov, H. Stegemeyer, and J.W. Goodby, Destruction of a first order smectic-Л-smectic-C phase transition by dimensional crossover in free-standing films // Phys. Rev. E 48, 1916 (1993).

55. R. Pindak, C.Y. Young, R.B. Meyer, N.A. Clark, Macroscopic Orientation Patterns in Smectic-C Films // Phys. Rev. Lett. 45, 1193 (1980).

56. E.I. Demikhov, Surface reconstruction and finite-size effects in smectic free standing films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 265, 403 (1995).

57. M. Борн и Э. Вольф, Основы оптики (М., Наука, 1973).

58. JI.M. Блинов, Электро- и магнитооптика жидких кристаллов, М. Наука 1978.

59. К. Krohn, М. John, E.I. Demikhov, New aromatic azo compounds: syntheses and liquid-crystalline properties // Russian Chemical Bulletin 50, 1248 (2001).

60. M.A. Osipov and A. Fukuda, Molecular Model for the Anticlinic Smectic-Сл Phase, Phys. Rev. E 62 // 3724 (2000).

61. J. Pang, C.D. Muzny, and N.A. Clark, String defects in freely suspended liquid-crystal films, Phys. Rev. Lett. 69, 2783 (1992).

62. P. Chaikin and T.C. Lubenskii, Principles of Condenced Matter Physics, Cambridge University Press, 1995.

63. C.Y. Young, R. Pindak, N.A. Clark, and R.C. Meyer, Light-scattering Study of Two-dimensional Molecular-orientation Fluctuations in a Freely Suspended Ferroelectric Liquid-crystal Film // Phys. Rev. Lett. 40, 773 (1978).

64. M.S. Spector and J.D. Lister, Light-scattering study of phase transitions in hexatic liquid-crystal films // Phys. Rev. E 51, 4698 (1995).

65. C. Rosenblatt, R. Pindak, N.A. Clark, and R. Meyer, Freely Suspended Ferroelectric Liquid-Crystal Films: Absolute Measurements of Polarization, Elastic Constants, and Viscosities // Phys. Rev. Lett. 42, 1220 (1979).

66. S.B. Dierker and R. Pindak, Dynamics of thin tilted hexatic liquid crystal films // Phys. Rev. Lett. 59, 1002 (1987).

67. M.-H. Lu, K.A. Crandall, and C. Rosenblatt, Polarization-Induced Renormalization of the Bi Elastic Modulus in a Ferroelectric Liquid Crystal // Phys. Rev. Lett. 68, 3575 (1992).

68. N.K. Pradhan and R. Paul, Magnetic Susceptibility Measurements in Two Systems Showing Induced Smectic A Phase // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 366, 157 (2001).

69. M.J. Bradshaw, E.P. Raynes, I. Fedak and A.J. Leadbeater, A correlation between short range smectic-like ordering and the elastic constants of nematic liquid crystal //J. Physique, 45, 157 (1984).

70. D.H.V. Winkle and N.A. Clark, Direct measurement of orientation correlations in a two-dimensional liquid-crystal system // Phys. Rev. A 38, 1573 (1988).

71. K. Binder, в кн. Phase Transitions and Critical Phenomena // v.6 Academic, London, 1986.

72. A. Fera, R. Opitz, W.H. de Jeu, B.I. Ostrovskii, D. Schlauf, and Ch. Bahr, Structure of Freely Suspended Chiral Smectic Films as Determined by X-ray Reflectivity and Optical Ellipsometry // Phys. Rev E 64, 021702 (2001).

73. E. Gorecka, D. Pociecha, M. GepiC, B. Zek§, and R. Dabrowski, Enantomeric excess dependence of the phase diagram of antiferroelectric liquid crystals // Phys. Rev. E 65, 0617032002).

74. Т. Stoebe, L. Reed, M. Veum, and C.C. Huang, Nature of the smectic-/l-smectic-C transition of a partially perfluorinated compound // Phys. Rev. E 54, 1584 (1996).

75. D.A. Olson, X.F. Han, A. Cady, and C.C. Huang, Molecular orientation arrangements in the smectic-C* variant liquid-crystal phases // Phys. Rev. E 66, 021702 (2002).

76. D.A. Olson, S. Pankratz, P.M. Johnson, A. Cady, H.T. Nguyen, and C.C. Huang, Optical studies of the smectic-C£ phase layer structure in free-standing films // Phys. Rev. E 63, 061711 (2001).

77. D. Konovalov, H.T. Nguyen, M. CopiC, and S. Sprunt, Structural properties of the ferrielec-tric phases of a chiral liquid crystal revealed by dynamic light scattering // Phys. Rev. E 64, 010704(R) (2001).

78. P.V. Dolganov, Y. Suzuki, and A. Fukuda Structural transitions in thin free-standing films of an antiferroelectric liquid crystal exhibiting the smectic-Ca phase in the bulk sample // Phys. Rev. E 65, 031702 (2002).

79. P.V. Dolganov, E.I. Demikhov, Y. Suzuki, and A. Fukuda Temperature- and Field-Induced Transitions in Free-Standing Films of Antiferroelectric Liquid Crystal // ЖЭТФ 95, 728 (2002).

80. B.I. Lev, S.B. Chernyshuk, P.M. Tomchuk, and H. Yokoyama, Symmetry breaking and interaction of colloidal particles in nematic liquid crystals // Phys. Rev. E 65, 021709 (2002).

81. S. Grollau, N.L. Abbott, and J.J. de Pablo, Spherical particle immersed in a nematic liquid crystal: Effects of confiment on the director field configurations // Phys. Rev. E 67, 011702 (2003).

82. D. Andrienko, G. Germano, and M.P. Allen, Computer simulation of topological defects around a colloidal particle or droplet dispersed in a nematic host // Phys. Rev. E 63, 041701 (2001).

83. D. Andrienko, M.P. Allen, G.Ska£ej, and S. Zumer, Defect structures and torque on an elongated colloidal particle immersed in a liquid crystal host // Phys. Rev. E 65, 041702 (2002).

84. P. Cluzeau, P. Poulin, G. Joly, and H.T. Nguyen, Interactions between colloidal inclusions in two-dimensional smectic-C* films // Phys. Rev. E 63, 031702 (2001).

85. P. Cluzeau, G. Joly, H.T. Nguyen, V.K. Dolganov, Two-dimensional ordering of inclusions in smectic-C films // Письма в ЖЭТФ 75, 573 (2002).

86. P. Cluzeau, G. Joly, H.T. Nguyen, V.K. Dolganov, Formation of two-dimensional crystal-like structures from inclusions in smectic С films // Письма в ЖЭТФ 76, 411 (2002).

87. П.В. Долганов и Б.М. Болотин, Ориентационные дефекты в свободно подвешенных смектических С плёнках // Письма в ЖЭТФ 77, 503 (2003).

88. P. Cluzeau, G. Joly, H.T. Nguyen, С. Gors, and V.K. Dolganov, Free-standing smectic films at high temperature // Liquid Crystals 29, 505 (2002).

89. E.I. Demikhov, M. John and K. Krohn, Anomalous behaviour of photoactive free-standing films under illumination // Liq. Cryst. 23, 443 (1997).

90. A.C. Mitus, H. Weber, and D. Marx, Local structure analysis of the hard-disk fluid near melting // Phys. Rev. E 55, 6855 (1997).

91. P.N. Pusey, в книге Liquids, Freezing and the Glass Transition, (North Holland, Amsterdam, 1991).

92. M. Heni and H. Lowen, Long-range forces and aggregation of colloid particles in a nematic liquid crystal // Phys. Rev. E 60, 7054 (1999).

93. M.S. Turner and P. Sens, Interactions between particulate inclusions in a smectic-Л liquid crystal // Phys. Rev. E 55, R1275 (1997).

94. M.S. Turner and P. Sens, Multipole expansion for inclusions in a lamellar phase // Phys. Rev. E 57, 823 (1998).

95. L. Lejcek and P. Oswald, Influence of surface-tension on the stability of edge dislocatons in smectic-Л liquid-crystals // J. Phys. II 1, 931 (1991).

96. J.-C. Сёпппа^, С. Laroche, and P. Oswald, Edge dislocation in a vetrical smectic-Л film: Line tension versus film thickness and Burgers vector // Phys. Rev. E 58, 5923 (1998).

97. A. Zywocinski, F. Picano, P. Oswald, and J.C. G6minard, Edge dislocation in a vertical smectic-Л film: Line tension versus temperature and film thickness near the nematic phase // Phys. Rev. E 62, 8133 (2000).

98. H. Schiiring and R. Stannarius, Isotropic Droplets in Thin Free Standing Smectic Films // Langmuir 18, 9735 (2002).

99. D. Voloschenko, O.P. Pishnyak, S.V. Shiyanovskii, and O.D. Lavrentovich, Effect of director distortions on morphologies of phase separation in liquid crystals // Phys. Rev. E 65,060701(R) (2002).

100. Публикации автора по теме диссертации

101. P.V. Dolganov, J.W. Goodby, A. Seed, Optical reflectivity study of synclinic and anticlinic structures in thin freely suspended smectic films // Eur. Phys. J. E 3, 7 (2000).

102. P.V. Dolganov, Y. Suzuki, and A. Fukuda, Structural transitions in thin free-standing films of an antiferroelectric liquid crystal exhibiting the smectic-CQ phase in the bulk sample // Phys. Rev. E 65, 031702 (2002).

103. P.V. Dolganov, E.I. Demikhov, Y. Suzuki, and A. Fukuda, Temperature- and Field-Induced Transitions in Free-Standing Films of Antiferroelectric Liquid Crystal // ЖЭТФ 122, 840 (2002).

104. P.V. Dolganov, V.M. Zhilin, V.E. Dmitrienko, E.I. Kats, Polar Smectic Subphases: Phase Diagrams, Structures and X-ray Scattering // Письма в ЖЭТФ 76, 579 (2002).

105. P.V. Dolganov, V.M. Zhilin, V.K. Dolganov, E.I. Kats, Structures and Phase Transitions in Polar Smectic Liquid Crystals // Phys. Rev. E 67 041716 (2003).

106. П.В. Долганов и Б.М. Болотин, Ориентационные дефекты в свободно подвешенных смектических С плёнках // Письма в ЖЭТФ 77, 503 (2003).