Исследование анизотропного взаимодействия нематиков с ограничивающими поверхностями в сильном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

^ V На правах рукописи

ПАРШИН

Александр Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 1ЕМАТИКОВ С ОГРАНИЧИВАЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ В СИЛЬНОМ

МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность 01.04.¡4 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физнко - математических наук

Красноярск 1998

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Кнренского СО РАН

Научные руководители: член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук,

профессор Шабанов В.Ф.

доктор физико-математических наук |Хрусталев БЛХ)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

кандидат физико-математических наук

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной

механики СО РАН (г. Новосибирск)

Ветров С.Я. Дрокин II. А.

Защита состоится «/<5» июня 1998 г. в 14 часов в аудитории Г 2-22 на заседании диссертационного совета Д 064.54.02 в Красноярском государственном техническом. университете по адресу. 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26. Тел. (8-3912)49-79-90; 49-76-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «18»:-мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Актуальность темы. Развитие физики ориентаиконных и фазовых переходов срмотроиных немапиескнх жидких кристаллах (НЖК) ¡Г возросший интерес в асти их практических применений требуют новых знаний о поверхностных йствах, связанных с влиянием дисперсионных, упругих, полярных и др. сил на [зотропное молекулярное взаимодействие нематических жидких кристаллов матиков) с ограничивающими поверхностями. Исследование влияния ерхлостных сил в жидких кристаллах является важной физической проблемой, как благодаря упорядоченному молекулярному строению жидкого кристалла яние границы раздела фаз передается на большие расстояния в объем и оделяет его термодинамические свойства. Основными параметрами, бывающими молекулярное взаимодействие НЖК с твердыми стенками, являются легкого ориентирования, заданная на поверхности, углы, характеризующие пределение поля директора нематика, находящегося в деформированном тояпни под воздействием стенок или внешних полей, энергия сцепления молекул Ж с поверхностями. Знание указанных величин позволяет управлять пороговыми актернстиками жидкокристаллических ячеек, задавать их оптимальные аметры. способствовать созданию элементов дисплеев на основе НЖК с темымн свойствами.

Исследование ориентационных эффектов в НЖК под действием внешних нотных полей является актуальным, поскольку в большинстве практических чаев НЖК находятся в деформированном состоянии внешним полем, и будет собствовать более глубокому пониманию природы процессов, происходящих на нице раздела двух фаз и их влияния на объемные свойства в упорядоченных ¡екулярных средах.

Целью данной работы явилось: »кспериментальное определение энергии сцепления планарпых молекулярных ев нематиков с твердыми поверхностями из кртических полей перехода здерикса и насыщения.

сследование распределения поля директора в планарных молекулярных слоях К, деформировашл>!х внешним магнитным полем, а также температурное енение параметров сцепления.

Исследование влияния полярных вкладов в поверхностный потенциа. описывающий анизотропное взаимодействие молекул нематиков с поверхностями.

Научная новизна. 1. Впервые реализовано экспериментальное разрешен! пороговых полей перехода Фредерикса для планарно ориентированнь молекулярных слоев НЖК, позволившее рассчитать энергию сцепления нематика поверхностью.

2. Обнаружено, что полярные силы при взаимодействии молекул нематика 5ЦБ обработанными стеклянными поверхностями не влияют на распределение по; директора вдали от температуры фазового перехода НЖК - изотропная жидкость изменяет угол ориентации директора на поверхности при ее повышении.

3. Реализован метод экспериментального определения углов ориентащ нематического директора и энергии сцепления НЖК в ячейках с двумя плоскт оптически анизотропными поверхностями, основанный на изменении дихронзэ изолированной полосы примесного электронного поглощения молекул красителя щ структурных молекулярных превращениях ЖК в магнитном поле (эффект «гость хозяин»).

4. Создана установка сильного стационарного магнитного поля. Реализова! экспериментальное разрешение пороговых полей перехода Фредерикса в ячейках слабым сцеплением молекул нематика с поверхностью, и впервые определе энергия сцепления планарного слоя МББА с поверхностью ско сегнетоэлектрического кристалла ТГС.

5. Впервые экспериментально реализован режим насыщения в ЖК ячейках в сильн< магнитном поле, и из критического поля рассчитано эффективное значение энерг сцепления планарно ориентированного слоя молекул МББА с поверхностью ско ТГС.

6. Впервые в условиях одного эксперимента получены значения энергии сцеплен как из пороговых полей перехода Фредерикса, так и поля насыщения; сравнен данных значений позволило обнаружить влияние эффектов поверхности поляризации на анизотропное молекулярное взаимодействие нематиков сешетоэлектрическими поверхностями.

На защиту выносятся следующие положения:

Взаимодействие пленарных слоев молекул нематика 5ЦБ с различными способами обработанными стеклянными поверхностями описывается в рамках «электрических» коррекций потенциала РП.

Температурное изменение энергии сцепления планарных молекулярных слоев 5ЦБ с неполярными стеклянными поверхностями связано с изменением поверхностного параметра порядка нематика.

Изменение энергии сцепления планарных молекулярных слоев 5ЦБ со стеклянными поверхностями, содержащими А'-ОЯ группы или покрытые адипиновой кислотой сопровождается изменением углов ориентации нематического директора в центре и на поверхности ЖК ячейки. Энергия сцепления планарно ориентированных молекулярных слоев нематика 5ЦБ с неполярными стеклянными поверхностями составляет 0.2 эрг/см2. Энергия сцеплення планарно ориентированных молекулярных слоев нематика МББА на поверхности сколов сегнетоэлектрика ТГС составляет 2.1-Ю"2 эрг/см'. Существенное различие значений энергии сцепления, полученных из критических магнитных полей перехода Фредерикса и насыщения связано с поверхностной поляризацией.

Достоверность'результатов: Параметры анизотропного взаимодействия молекулярных слоев нематиков с ориентирующими поверхностями определялись с помощью магнитного поля. Использование магнитного поля, в отличие от электрического, позволило избежать побочных эффектов, связанных с появлением пространственного заряда, электропроводности и др. и не учитывать дополнительные факторы в эксперименте.

Характерен порядок величины \Уг, полученный в магнитном поле. Ее величина выше значения 1У2~ 10'2 эрг/см2 , полученного в работе /1/ для гомеотропной ориентации на обработанной ПАВ стеклянной подложке, что подтверждает факт более жесткого сцепления планарного слоя НЖК с поверхностью. Ее величина также выше значения \У1- 4 • 10"г эрг/см2 для 5ЦБ на АО напыленных стеклянных подложках в работе /2/. По-видимому, полученный результат

является более достоверным, чем в цитируемой работе, в которой I определялась, во-первых, в электрическом поле, а во-вторых, в услови которые могуг привести к градиенту параметра порядка в приповерхности области ЖК.

Значение энергии сцепления молекулярных слоев МББА с поверхности сколов сегнетоэлектрического кристалла ТГС практически совпадает значением W1, полученным в эксперименте по малоугловому рассеянию свет пленарных слоях МББА на поверхностях стекла, покрытых полимерны пленками/3/ W2~ (1.0 ± 0.5)-10"4 эрг/см2. Полученное значение W2 также бли;

к значению ~ 2-Ю"4 эрг/см2, представленному в работе 14/ для МББА поверхности стекла, покрытого углеродной пленкой.

Значение эффективной энергии сцепления \У2 = (2.1± 0.1У10'2 эрг/см2 получи непосредственно из магнитного поля насыщения без использова! подгоночной процедуры.

Расчетное значение углов ориентации нематического директора в центре и поверхности ЖК ячеек с использованием потенциала РП подобны получении; работе /5/ для гомеотропного слоя молекул нематика на обработай)! стеклянных поверхностях.

Практическая ценность. В работе реализовано применение силы: стационарных магнитных полей для получения информации об ориентациош эффектах в НЖК. Возможно использование ячеек с сильным сцеплением моле! нематиков с поверхностями в качестве датчиков магнитного поля. Использова! методики на основе эффекта «гость - хозяин» может найти применение кристаллографии для идентификации кристаллографических осей кристалл обладающих оптической активностью.

Личный вклад соискателя включает участие в создании установки , получения сильного стационарного магнитного поля, выполнение в экспериментальных исследований, участие в постановке задач и шгтерлрета: экспериментальных данных.

Апробация Основные результаты работы были представлены и суждались на 11 всесоюзном семинаре «От ика жидких кристаллов» (Красноярск. 90); XIII Международной конференции по жидким кристаллам (Ванкувер, Канада, 90 г.); Европейской конференции по жидким кристаллам (Вильнюс, Латвия, 1991 ; VII международной конференции по оптике жидких кристаллов (Хеппельгейм, рмания, 1997 г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, список горых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех 1в, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 155 страниц, почая 36 рисунков, и библиографический список, содержащий 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность данной работы, ючается научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, рмулируется основная цель работы.

В первой главе рассмотрены и обобщены содержащиеся в литературе дения о поверхностных явлениях в ЖК. Показано, что взаимодействие нематиков >граничпвающими поверхностями обусловлено влиянием короткодействующих [, связанных с поверхностным натяжением, анизотропно - упругих, ван-дер-льсовых дисперсионных дальнодействующих сил и их конкуренцией. Отмечена шость учета влияния полярных сил на анизотропное взаимодействие нематиков с ¡ерхностями. Полярные силы приводят либо к диполь - дипольному имодействию НЖК - твердая стенка, либо к поверхностной поляризации, словленной упорядочением молекулярных диполей в приповерхностном слое X Рассмотрен ряд механизмов, связанных с проявлением полярных сил и их ;куренцией с силами неполярной природы. Отмечена важная роль электрического я в поверхностных явлениях НЖК;

Рассмотрено несколько различных форм поверхностного потенциала тмодействия НЖК с поверхностями: потенциал Рапини - Популяра (РП),

описывающий неполярное взаимодействие, более обобщенная феноменологически форма, представленная в виде разложения поверхностной энергии по четнь полиномам Лежандра, и потенциал Парсонса, учитывающий конкурируют влияние полярных и квадрупольных вкладов в поверхностную энергию. Обеужде концепция «электрических» коррекций потенциала РП, заключающаяся в е корректировке различными вкладами, учитывающими полярные поверхности эффекты и приводящая к перенормировке входящих в него параметров. Вводят параметры анизотропного взаимодействия молекул НЖК с поверхностями.

Кратко анализируются предшествующие работы по определению параметр анизотропного взаимодействия нематиков с поверхностями с учетом полярных неполярных вкладов в поверхностную энергию. Выделен метод определения энерг: сцепления, связанный с деформацией нематиков внешним полем 161. Отдает предпочтение магнитному полю по сравненшо с электрическим.

Приведенный анализ показал, что влияние полярных и неполярных вклад в поверхностную энергию изучено недостаточно для планарно ориеигированн: слоев нематиков. Это связано с тем обстоятельством, что методика определен параметров сцепления га пороговых полей перехода Фредерикса оказалг малоэффективной для более жесткого сцепления с поверхностью планарного с; НЖК по сравнению с гомеотропным. а из магнитных полей насыщения трудноосуществимой из-за необходимости использования сильных магнитных по; в эксперименте. Определение данных параметров другими методами связано существенными ошибками в измерениях, либо требует учета множест дополнительных факторов.

Не было исследовано изменение углов ориентации директора в плана;: ориентированных слоях НЖК, деформированного внешним магнитным полем и изменение с температурой. Такая информация необходима для решения вопрос; корректном выборе потенциала, описывающего анизотропное взаимодейсп нематика с твердой стенкой.

Не было ясного понимания, влияет ли вообще поверхностная поляризаи обусловленная упорядочением молекулярных диполей НЖК (или их проекций длинные оси молекул) на анизотропное взаимодействие неиатиков

ориентирующими стенками. Теоретически показано, что такая поляризация имеет место во всех случаях контакта НЖК с ограничивающими поверхностями. Однако, ее влияние можно обнаружить только при наличии сильного электрического поля подложки. Попытка обнаружить полярные эффекты в планарных слоях нематика с сегнетоэлектрической поверхностью не привела к положительному результату из-за экспериментальной сложности определения энергии сцепления с оптически анизотропными поверхностями III.

В связи с этим в задачу данной работы входило исследование анизотропного взаимодействия планарно ориентированных слоев нематиков с ограничивающими твердыми стенками и влияния на него полярных и неполярных сил, возникающих в приповерхностной области. Для решения данной задачи предполагалось:

- Определение энергии сцепления планарных слоев НЖК с различным способом обработанными поверхностями, допускающими полярное и неполярное взаимодействие исходя из возможности экспериментального разрешения пороговых полей перехода Фредерикса в тонких слоях нематиков и, следовательно, в сильном магнатом поле.

- Исследование изменения углов ориентации директора нематика на данных поверхностях в магнитном поле в широком температурном интервале с целью проверки концепции «электрических» коррекций потенциала РП в условиях полярного взаимодействия планарных слоев нематика с ориентирующей поверхностью.

- Использование методики, основанной на эффекте «гость - хозяин», позволяющей избежать влияние двулучепреломленля подложек на экпериментальные результаты, для определения параметров анизотропного взаимодействия пленарного слоя нематика МББА с поверхностью сколов сегнетоэлектрика TTC.

- Определение энергии сцепления планарного слоя молекул МББА с поверхностью скола ТГС как из порогового поля Фредерикса, так и из поля насыщения исходя из предполагаемого слабого сцепления нематика с поверхностью для данного сочетания ЖК - подложка.

Исследование изменения углов ориентации директора нематнка на

сегнетоэлекгрических поверхностях в магнитном поле с целью проверки концепции

9

«электрических» коррекции потенциала РГ1 в условиях конкурирующего влияния с на поверхности.

Во второй главе дано обоснование выбора объектов исследован; необходимых для решения поставленной задачи, и описаны эксперимеитальн методики и установки для исследования анизотропного взаимодействия нематико] поверхностями. В качестве объектов исследования были выбраны хорошо изучена нематикн 5ЦБ и МББА с положительной и отрицательной анизотропией полярными концевыми группами. Для исследований было приготовлено три ти обработанных поверхностей: А - после натирания подложки промывались в кипяш ацетоне и кипящем гексане и высушивались в вакуумном шкафу; В - пос натирания подложка выдерживалась в течение одного часа в одномолярном раствс КОН при 50°С, а затем высушивалась горячим паром изопропилового спирта; С натирание подложки производилось о смоченную спиртовым раствором адишшов кислоты бумагу с последующей промывкой ее в кипящем ацетоне и кипящем гексс и высушиванием в вакуумном шкафу.

В эксперименте на оптически анизотропных поверхностях в МББА вводш антрахиноновый краситель КД-10 с большой величиной дихроизма ~ 7.7. Максим поглощения красителя совпадал с длиной волны гелий- неонового лазера.

В качестве ориентирующих поверхностен использовались подложки кварцевого стекла и сколов сегнетоэлектрического кристалла триглицинсульф: (ТГС). Стеклянные подложки обрабатывались тремя различными способами I получения пленарной ориентации 5ЦБ с полярным и неполярным взаимодействи лематика с поверхностью. Нематик, заключенный между двумя так» поверхностями образует ячейку сандвического типа. Параметры ячейки и качеа ориентации НЖК контролировалось поляризационно - оптическими методами, данной работе впервые использованы ячейки МББА, заключенного между дву соосно ориентированными сколами ТГС. Ячейки собирались так, чтобы обла< доменов одного знака, кристаллографические оси ТГС и направления директора верхней и нижней пластинках совпадали. Для этого идентифицировались тн доменов ТГС и определялись направления ориентации директора немап относительно кристаллографических осей на пластинках. Описанный спо<

еделсния угла ориентации МББА на «+» доменах ТГС имеет самостоятельное ченне.

Для измерений критических магнитных по лей н углов ориентации НЖК при ггии автора была создана установка сильного стационарного магнитного поля шостыо 7.5 МВт. Установка позволяет генерировать магнитное поле в соленоиде геровского типа /8/ до 120 кЭ. Рабочий канал соленоида диаметром 36 .м-м-и; ной 400 мм позволял проводить исследования образца, помехцрнного в его центр, . югистрации излучения лазера, прошедшего через слой ЖК. Образец помещался в (остатирующую вставку для защиты его от тепла, выделяемого в соленоиде, гроль температуры образца осуществлялся с помощью медь - константановой юпары с точностью ±0.2°С. Регистрация магнитною поля осуществлялась с Э1Цыо датчика Холла типа ПХЭ с линейной характеристикой в диапазоне до 150 Информация о состоянии образца получалась с помощью подяризационно -[ческой установки, расположенной в непосредственной близости от магнита.

1змерения пороговых полей перехода Фредерикса и углов ориентации тического директора в ячейках с изотропными стеклянными подложками одились по двулучепреломлению прошедшего через образец лазерного ченчя. Поскольку толщина слоя НЖК варьировалась в широких пределах, для их нематнческих пленок амплитуда полученного сигнала сравнительно мала, ому использовалась модуляционная методика с синхронным детектированием, шаюшая отношение сигнал - шум. Применение плаепшки Х/4 и аналшатора в компенсации начальной фазовой задержки при нулевом магнитном поле фно. ориентированных образцов позволило определитьпороговые поля :ода Фредерикса непосредственно по скачку оптического пропускания ЖК

змерения по двулучепреломлению затруднены ¿'ячейках со сколами ТГС вводу венного двулучепреломления сегнетоэлектрического кристалла. Ситуация вится ещё более сложной при изучении пленарных нематнческих слоев между : ориентирующими подложками. В таких ячейках регистрировалась одна >нента света, поляризованного вдоль оси оптической индикатрисы пластинки. >ения проводились на полосе поглощения гелий - неонового лазера,

И

совпадающей с максимумом полосы поглощения красителя КД-10, введенного нематическую матрицу. При этом регистрировалось непрерывное изменен интенсивности прошедшего через образец лазерного излучения, поляризованно параллельно директору, за счет изменения интенсивности примесного поглощен молекул МББА при структурных превращениях, индуцированных внешн магнитным полем. Большая величина дихроизма вызывает соответствуют изменение интенсивности пропущенного через образец света.

В третьей главе приведены результаты исследований анизотропно взаимодействия нематика с ограничивающими стеклянными поверхности! Приведены зависимости интенсивности света I, обусловленные изменен« двулучепреломления, от магнитного поля Н для ячеек 5ЦБ с различными способа обработанными поверхностями. При температуре 23 "С зависимости носят порогов характер и имеют наклон, соответствующий различной энергии сцепления.

Представлена «толщинная» зависимость пороговых магнитных полей для ячее а =1.31-5-1.92 мкм с различной поверхностной обработкой (рис. 1).

Реализовано экспериментальное разрешение пороговых полей перехс Фредерикса к определена энергия сцепления 1Уг для неполярного взаимодейсп нематика с поверхностью. Методика определения энергии сцепления основана различии между реальным пороговым полем Ц и рассчитанным для бесконе1

сильного сцепления Н2 • Различие растет с уменьшением толщины слоя НЖЗ

соответствующем увеличении магнитного поля, необходимого для переориентш немапсического директора. Этим обосновывается необходимость использова сильного магнитного поля в эксперименте. Надежное разрешение НЛ достигнут

ячейках с <3 < 3 мкм. Значение 1У2 = 0.2 эрг/см2 подтверждает факт более сильн сцепления планарного слоя нематика по сравнению с гомеотропным.

Обнаружено отсутствие селективной ионной адсорбции в пленарных слоях ? на неполярных стеклянных поверхностях, поскольку экспериментальные точки рис.1 совпадают с теоретической кривой, соответствующей конечному значи энергии сцепления.

Отсутствие экспериментального разрешения пороговых магнитных полей в енках 5ЦБ со стеклянными, содержащими силанольные &'-£?# группы или сработанными ПАВ (адипиновой кислотой) под пленарную ориентацию »верхностами, вдали от температуры фазового перехода нематик - изотропная эдкость, свидетельствует о влиянии полярных сил на энергию сцепления НЖК -ердая стенка. При этом ориентация директора нематика в приповерхностном слое ггается неизменной ввиду выраженного порогового характера зависимостей ЦН).

Н^кЭ

-I

а < нкы

Рис.1. «Толщинная» зависимость пороговых полей перехода Фредерикса ДБ при температуре 23°С в плоскопараллельных ячейках с поверхностной 5работкой типа А (•), В (Ш), С (А).

' В окрестности порогового поля перехода Фредернкса исследовано распредел поля директора в ЖК ячейках 5ЦБ с различными способами обработали поверхностями при температуре 23°С. Численными методами рассчт зависимости углов ориентации директора в центре и на поверхности нематичес слоя. Из совпадения экспериментальных точек и теоретических кривых для случаев обработки подложек следует, что взаимодействие нематика с тверд поверхностями описывается потенциалом РП с перенормировкой входящих в коэффициентов для учета полярных сил, то есть в рамках концег «электрических» коррекций РП.

Исследовано изменение зависимостей 1(H) с ростом темпераг Зависимости, носят выраженный пороговый характер во всем температур интервале для неполярного взаимодействия нематика с поверхностью. Это поз во; построить температурную зависимость пороговых полей перехода Фредер] (рис.2). Зависимость показывает, как стремится к нулю анизотропная ч поверхностной энергии по мере приближения к температуре перехода нематш изотропную жидкость. Значение /[-', убывает при этом примерно в 6 раз. Оказал

что отношение \F2/Aj2 практически не зависит от температуры (при у -У" Y/ <2

что подтверждает модель, предсказывающую снижение энергии сцешк нематиков с неполярными поверхностями за счет снижения поверхносп параметра порядка 191. В случае полярного взаимодействия 5ЦБ со стеклянш поверхностями наблюдалось «размывание» пороговых зависимостей 1(H) с рос температуры, что свидетельствует о температурной зависимости утла opncirra директора в нематическом слое.

В четвертой главе приведены исследования НЖК с полярной поверхнос сегнетоэлектрического кристалла.

Представлены зависимости интенсивности света I, обусловленные изменен примесного поглощения^' от магнитного поля Н для ячеек МББА, закшочеш между двумя соосно ориентированными поверхностями сколов ТГС, содержат

«-»или«+»домены. ........

J4

Т,« - •••/с

Рис.2. Температурная зависимость пороговых полей перехода Фредерикса для ячейки толщиной 1.54 мкм с поверхностной обработкой типа А. Сплошные

лига представляют пороговые поля, рассчитанные по методике РП для различных ачений энергии сцепления.

Из порогового поля я,д определена энергия сцепления W2 с поверхностью « домена ТГС. При этом реализовано экспериментальное разрешение порогового пол поскольку значение W2 = (1.0 ± 0.3)-10"4 эрг/см2 мало и характерно д.

анизотропного взаимодействия нематика с твердой стенкой в услови конкурирующего влияния сил на поверхности.

Обнаружено отсутствие флексоэлекгрического эффекта в планарных слоях МБ1 на полярной поверхности ТГС, поскольку зависимости 1(Н) для «-» и «+» домени образцов практически совпадают, что свидетельствует о независимости энерл сцепления нематика с сегнетоэлекгрической поверхностью от знака электрическо поля подложки.

Выбранное сочетание нематик - подложка МББА - ТГС позволи достигнуть режима насыщения ЖК текстуры в реально достижимом магнитном по. На рис.3, представлена зависимость интенсивности I, обусловленной изменени примесного поглощения МББА, от магнитного поля H, в виде диаграммы : самописца. Как видно из рисунка, интенсивность I изменяется между дву реперными значениями Iп и 1А, соответствующими пропусканию планарш образца при ориентации директора параллельно и перпендикулярно направлен прошедшего через образец света е. Резкое начальное отклонение кривой l{H) от . соответствует пороговому полю перехода Фредерикса, величина которого Яй=

кЭ. В области сильных полей зависимость /(#) приближается к реперу I± достигает его при некотором критическом поле Н= 62.4 кЭ. Поскол перпендикулярные компоненты интенсивности пропускания для планарноГ гомеотропной ориентации ЖК равны, то по-видимому, это критическое п соответсвует полю насыщения Нш ■ Об этом же свидетельствует отсутст

изменения интенсивности сигнала при изменении ориентации вектора поляризащ из положения е // с в положение е 1.с , что характерно для гомеотропной текст ЖК. Таким образом магнитное поле, приложенное к образцу, переводит его в

Н,кЭ

Рис.3. Обусловленная изменением примесного поголощения зависимость интенсивности прошедшего через ячейку света от магнитного поля H для «-» доменного образца МББА на TTC при полной переориентации директора нематика из планарного в гомеотропное состояние. /Я)/х- интенсивности света, поляризованного параллельно и перепендикулярно директору.

гомеотропное состояние. При дальнейшем увеличении магнитного поля до 100 кЭ кривая /(#) не отклоняется от реперного уровня IL. Асимптотический характер зависимости 1{н) приводит к ошибке определения поля насыщения, с учетом которой Я,д= (62.4±1.б) кЭ. Из порогового поля определена эффективная энергия сцепления W* = (2.1 ± 0.1)-10"2 эрг/см2.

Таким образом, в данной работе параметры ¡у2 и W' определены одновременно в

условиях одного эксперимента. Различие параметров на два порядка является яеожиданным, так как, согласно концепции «электрических» коррекций,

поверхностный потенциал в форме РП должен оставаться корректным для большие отклонений директора нематмка от первоначальной ориентации /10/.

Н. кЭ

Рир.4. ..Зависимости углов деформации директора &míi $(')от магнитного поля Н : а) кривые 1,1' и 2,2' построены"с потенциалом ~ W, sin2 в', б) кривые 3,3' и 4,4' - с потенциалом -— ff siné? + W2 sirT в; в) точки 5 и 5' получены из эксперимент,

В окрестности порогового поля перехода Фредерикса исследовано распределение подя. директора в ячейках М6БА на «-» доменах- ТГС при температуре 23°С. Численными методами рассчитаны зависимости углов ориентации директора- в центре и на поверхности нематичсского слоя (рис.4). Из рисунка видно, что зависимости 1, Г носят ординарный характер. В случае 2 углы 0т, в сливаются, т.е.

нсм;)тический слой должен переориенлгроваться как целое. При этом критические поля были бы близки, что не наблюдается в эксперименте. Зависимости 3. 3'й'4, 4' показывают, что линейный член W.COS0 потенциала «плавит» переход

редерикса, при определенной величине приводя к равномерному наклону по [ейке в ~ О ~ 0^ что также не соответствует экспсрименгу, поскольку форма

:рехода ' Фредерикса носит выраженный пороговый характер. Видно, что :спериментальные значения углов, не зависящие от формы потешщала >верхностного взаимодействия, не находят объяснения в рамках приближения РП, ) коррелируют с моделью Парсонса. Необычное поведение поверхностного угла (5') для сравшггельно толстой ячейки (—30 мкм), характерное скорее для тонкого

>разца. С учетом данного факта слабая корреляция эксперимента с приближением арсонса может быть объяснена преднаклоном поверхностного директора, щуцированным дипольной поляризацией ЖК в приповерхностном слое и, гедовательно, несоответсвием используемой нами модели потенциала процедуре тнимизацин свободной энергии по методике РП. Следует отметить, что в случае шьного сцепления с преднаклоном поверхностного директора анизотропное аимодействие нематика с поверхностью по порогу Фредерикса проявляет себя как [абое сцепление

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Создана установка сильного стационарного магнитного поля и реализована для исследования ориентационных эффектов и поверхностных свойств жидких кристаллов.

Определены пороговые поля перехода Фредерикса для планарно ориентированных молекулярных слоев нематика 5ЦБ на ориентированных различными способами стеклянных поверхностях. Реализовано экспериментальное разрешение пороговых полей в тонких пленках нематпков на неполярных стеклянных подложках в сильном магнитном поле, позволившее рассчитать энергшо сцепления нематика с поверхностью,' Показано отсутствие экспериментального разрешения порогового поля в ячейках с другими способами обработанными подложками. допускающими полярное взаимодействие нематика с поверхностью.

3. Исследовано изменение углов ориетгации в центре и на поверхности план ориентированных молекулярных слоев нематика 5ЦБ на обработа; стеклянных подложках в окрестности порогового поля Фредерикса вдал температуры фазового перехода нематик - изотропная жидкость. Подтверя справедливость концепции «электрических» коррекций потенциала РП описания полярного взаимодействия нематика с поверхностью. Пок; отсутствие селективной ионной адсорбции в планарных слоях 5Ц: неполярных стеклянных подложках из «толщинной» зависимости порог полей перехода Фредерикса.

4. Обнаружено изменение углов ориентации директора в поверхнос молекулярном слое 5ЦБ на стеклянных подложках с ростом темпера характерное для полярного взаимодействия нематика с поверхно Изменение обусловлено «размыванием» пороговых полей перехода Фредер Подтверждена модель, предсказывающая снижение энергии сцеп, нематиков с неполярными поверхностями за счет снижения параметра пор) цешре и па поверхности иематического слоя. Заключение сделано вслед отсутствия угловой зависимости пороговых характеристик во температурном интервале существования нематической фазы.

5. Реализован метод экспериментального определения углов ориен иематического директора и энергии сцепления в ячейках с двумя пло' поверхностями, обладающими двулучепреломлением. Метод основ; изменении дихроизма изолированной полосы примесного электрс поглощения молекул красителя при структурных превращениях Н магнитном поле. Метод позволил определить параметры анизотрс взаимодействия молекул нематика МББА с поверхностью < сегнетоэлектрического кристалла ГГС.

6. Определены пороговые поля перехода Фредерикса для планарного слоя м< МББА, заключенного между двумя соосно ориентированными пластг сколов сегнетоэлектрика ТГС, содержащими «-» домены. Реали экспериментальное разрешение пороговых полей в ячейках со с сцеплением нематика с поверхностью. Определена энергия сцепления м МББА с поверхностью скола ТГС.

Исследовано изменение углов ориентации директора в окрестности иорогоного ноля перехода Фредерикса для МББА на «-» доменных поверхностях ITC. Обнаружено, что концепции «электрических» коррекций потенциала PIT не описывает анизотропное взаимодействие нематика с сегнетоэлектрической поверхностью. Зависимость углов ориентации в центре и на поверхности нематического слоя лучше описывается моделью Парсонса, учитывающей конкурирующее влияние полярных и неполярных сил на поверхности. Показано отсутствие флексоэлектрического эффекта при взаимодействии МББА со сколами TTC.

Впервые достигнуто магнитное поле насыщения нематика в ЖК ячейке. Обнаружено влияние поверхностной поляризации на анизотропное взаимодействие нематиков с ограничивающими поверхностями. Для планарного молекулярного слоя МББА, ориентированного «-» доменами TTC, пороговое поле перехода Фредерикса и поле насыщения получены в одном эксперименте. Впервые рассчитана энергия сцепления из данных критических полей. Получено существенное (на два порядка) различие этих значений. Различие не удается объяснить в рамках концепции «электрических» коррекций потенциала РП и требует использования потенциала, учитывающего эффекты поверхностной поляризации при взаимодействии нематиков с ограничивающими поверхностями.

Основные результаты работы опубликованы в следующих

статьях:

Gunyakov V. A., Podoprigora., Parshin A. M., Khrustalev В. P., Shabanov V. F. The «liquid crystal - substrate» anchoring energy measurements under strong magnetic field // Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1991, V.209.- P. 117 - 121.

Гуняков В. А., Подопригора В. Г., Партии А. М., Хрусталев Б. П., Шабанов В. Ф. Измерение энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью подложки в сильном магнитном поле // Поверхность, 1992, №2.- С. 69 - 72.

Gunyakov V. A., Parshin А. М., Khrustalev В. P., Shabanov V. F. Determination of anchoring energy for nematic onto ferroelectric substrate // Solid State Commun., 1993, V.87,No,9.- P. 751-753.

4. Гуняков В. А., Паршин А. М., Хрусталев Б. П., Шабанов В. Ф. Онределеш

ориентации директора нематика на поверхности сегнетоэлектрпческо! кристалла // Оптический журнал, 1997. Т.64, № 5.- С. 96-98.

5. Gunyakov V.A., Parshin A.M. and Shabanov V.F. Investigation of the nematic

ferroelectric interface under a strong magnetic field// Sol. St. Commun., 1998, V.10 No.12.-P. 761-765.

6. Гуняков В. А.. Паршин A. M., Шабанов В. Ф. Особенности анизотропно!

взаимодействия нематического жидкого кристалла с полярной поверхность скола сегнетоэлектрггческого кристалла // Оптический журнал, 1997, Т.65, № ' С.

Препринтах:

7. Гуняков В. А., Паршин А. М., Подопригора В. Г., Хрусталев Б.П., Шабанов В. <

Определение энергии сцепления из S - эффекта на тонких нематическ! пленках в сильном магнитном поле,- Красноярск: ИФ. 1990.- 24с. (Препринт 629Ф АН СССР. Сиб. отд.-ние, Ин-т физики им. JI. В. Киренского).

8. Гуняков В. А., Паршин А. М., Хрусталев Б. П., Шабанов В. Ф. Исследован

анизотропного взаимодействия нематиков с граничащими поверхностями сильных магнитных полях.-Красноярск: ИФ. 1996,- 30с. (Препринт № 770 РАН. Сиб. отд.-ние, Ин-т физики им. Л. В. Киренского).

9. Гуняков В. А., Паршин А. М.. Шабанов В. Ф. Влияние поверхности

поляризации на энергию сцепления МББА со сколами TTC.- Красноярск: И 1997.- 20с. (Препринт № /75 Ф РАН. Сиб. отд.-ние, Ин-т физики им. JI. Киренского).

Ю.Паршин А. М. Анизотропное взаимодействие нематика с обработанпы стеклянными поверхностями.- Красноярск: ИФ. 1998.- 22с. (Препринт № 785 РАН. Сиб. отд.-ние, Ин-т физики им. JI. В. Киренского). (Препринт № 775 РАН. Сиб. отд.-ние, Ин-т физики им. Л. В. Киренского).

Тезисах докладов конференций:

. Гунякоп В, Л.. Паршин А. М., Подопригора В, 1"., Хрусгалев Б. П., Шабанов В. Ф. S - эффект на тонких нематических пленках в сильном магнитном поле II Оптика жидких кристаллов: тез. докл. Всесоюз. семинара.- Красноярск, 1990,-С. 126.

. Gunyakov V. A., I'odoprigora.. Parshin А. М., Khrustalev В. P.. Shabanov V. F. The liquid crystal on the solid state surface: Int. Liq. Cryst. Conf.- Vancouver, Canada, 1990,- Abstr., V.2, P. 195.

. Podoprigora., Gunyakov V. A.. Parshin A. M., Reraisov I. A. The effect of the solid state surface on liquid ciystal properties: Sum. Europ. Liq. Cryst. Conf.- Vilnius. Lithuania. 1591-Abstr. 1„ V.SS.P. 222.

Gunyakov V. A., Parshin A. M., Presnyakov V. V., Shabanov V. F. S-deformation of a nematic - ferroelectric cell under strong magnetic field affected by anchoring conditions // Optics of liquid crystals: Int. top. Meeting.- Heppenheim, Germany, 1997,-Abstr., P. 128.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Блинов Jl. М., Кабаенков А. Ю., Температурная зависимость и "размерный эффект" для энергии сцепления плашрно ориентированного нематика на твердой подложке//ЖЭТФ, 1987, Т.93, №5.- С. 1757-1764.

Yokoyama Н., van Sprang Н. A. A novel method for determining the anchoring energy function at a nematic liquid crystal-wall interface from director distortions at high fields // J. Appl. Phys., 1985. V.57, No.10 - P. 4520-4526.

Марусий Т. Я., Резников Ю. А., Решегняк В. Ю„ Хижняк А. И. Рассеяние света тематическими жидкими кристаллами в кюветах с конечной энергией сцепления директора со стенками//ЖЭТФ., 1986. т.91,- С. 861.

Ryshenkov G„ Kleman М. Surface defects and structural transition in very low anchoring energy nematic thin films // J. Chem. Phys., 1976. V.64, No.l.- P. 404-412.

Yang K. I{„ Rosenblatt C. Determination of the anisotropic potential at the nematic liquid crystal-towall interface/7 1983, V.43,No.l.- P. 62-64.

6. Naemura S. Measurement of anisotropic interfacial interactions between a nem

liquid crystal and various substrates // Appl. Phys. Lett..1978. V.33, No. 1.- P. 1-3.

7. Glogarova M., Durand G. Anchoring strength of nematic liquid crystal on ferroelec

crystal interface//J. Phys., 1988, V.49, No.9.- P. 1575-1581.

8. Хрусталев Б. П. Техника и технология сильных стационарных магнитных поле

Магнитные свойства кристаллических и аморфных сред / Под ред. В. Игнатченко .-Новосибирск: Наука, 1989.- С. 256.

9. Yokoyama H., Kobayashi S., Kamei H. Temperature dependence of the ancho

strength at a nematic liquid crystal-evaporated SiO interface // J. Appl. Phys., 1! V.61.-P. 4501-4518.

10. Barbero G., Durand G. Surface anchoring of nematic liquid crystals // Liquid Cry:

in Complex Geometries / Edited by Crawford G. Ph. and Zumer S. Taylor and Frai 1996. 500 p.

ПЛД № 48-39 от 25.03.96 Сдано в набор 12.05.98. Подписано в печатьб.05.98. Гарнитура "Times New Roman". Уч. изд. л. 1.3. Заказ №¿5 ?Тлраж 100 экз.

Отпечатано в типографии Института физики СО РАН. 660036, Красноярск, Академгородок.