Исследование автоволновых процессов и структурных превращений в нематических жидких кристаллах в электрическом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Пермский ордэиа Трудового Красного Внаквни государствеший университет им. /.И.Горького

на прагт рукописи

ЛЕТЕВ Владимир Ллркоор'1~ЯЧ

УДК БЗЯ.78П; В4В-14

НАСЛЕДОВАНИЕ ЛВТОВОЛНОВНХ ПРОЦЕССОВ И СТГУКТУГШХ ПШРАЩШП Й ШШЙЧЮСИХ ИЩСИХ КРИСТАЛЛАХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

(01.04.07 - Физика твердого тела)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь - 1ЭМ

Работа выполнена в Башкщзсжсм государственном университете да). 40-летяя Октября

Научные руководители; доктор фаэрко-м^тецадаесюи наук АЛиЧуьыров (БрГУ, г.Уфа), Кандоьт физака-матеы&тачэских наук О.А.Скалдвд (БВД УрО РАН. Г.Уфа)

Официальные оппоненты: доктор фцадао-^атематичесшы наук.

старший научный сотрудник В.Г.Чигринов {ШОПиК, г.Москва)

кандидат фкзико-математичесвдх наук, доцент А.К.Вазревных (ПТУ, г.Пермь)

Ведувдя организация; Институт механики сплошных сред УрО РАЯ (г.Пармь)

Защита диссертации состоится issa г.

в ¿5 часов на заседании регионального специализированного Совета К 063.69.OS в Пермском ордена Трудового Красного ¡Знамавд государственном университете им. А.М.Горького по .адресу; GI4600,-г.Пармь,'ул. Букирэва, 15, зал заседаний Ученого Совета.

' диссертацией можно о&накомиться в библиотеке Пермского ордена Трудового Красного Знамени государственного •университета им. A.M.Горького.

Автореферат разослан "it" Cit+i 1992 г.

Ученый секретарь регионального специализированного Совета ___

к.ф.-м.н., доцент t^WM Г.И.Субботин

РОССИЙСКАЯ lOCi-fc.'tPCT^iHHfl;1 з -•'

БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Фундаментальным свойством ишк кристаллов (ЖК), которое отличает их от изотропных жидкостей и придает сходство с твердим телом, является наличие ориентэнионной степени свобода, характеризующей макроскопическую упорядоченность длинных осей молекул в пространстве. Эта дополнительная степень свобода КК обуславливает уникальные свойства анизотропной среди, которые связаны с высокой чувствительностью пространственного распределения ориэнтациогаюй упорядоченности и воздействии электрических и магнитных полей. В настоящее время наиболее широко исследуются нематическиэ жидкие кристалля (iffiC). Результатом таких исследований явилось открытие большого числе модулированных (доменных) структур, возниг-аюишх при воздействии па жидкий кристалл постоя!шого или переменного электрических полей. Электролитические свойства-модулированные структур используются в дисплеях, жидкокристаллических индикаторах и других устройствах отображения информации. Доменные структуры могут быть также использованы при создании управляемых дифракционных репеток, оптических модуляторов и т.д. Наиболее широкое применение в различного типа индикаторных устройствах получил эффект динамического рассеяния света (ДРО), . который возникает выше порога турбулизадаи доменных структур.

Актуальность теш. ЖК богаты разнообразными структурными превращениями, возникающими во внешних электрических полях.

Несмотря на большое разнообразие уже открытых диссилатиьных моделированных структур в КК к их широкое практическое использование, как с теоретической, ток и с экспериментальной точки зрегшя в настоящее время наиболее понятен случай стационарных доменных структур. Нелинейное же поведение модулированных структур вим порога их устойчивости изучено недостаточно. В настоящее время интерес к этой проблеме шзвэн рядом причин.

Во-первых, вто связано с исследованием фупдгментяльшх вопросов образования и разрушении ня/ки!*куля]глото юрпдка в неравновесных системах.

Во-вторых, üccawjKJbíuuo нйлиньйной дшииагкк диссилатившх шдултровелш структур благодаря большому числу материальна* параметров перспективно о точки зрения поиска новых рьлелмов и механизмов их. образования и ьозгкияоеш) их практического

применения.

D третьих,.эта исследования имеют чисто научный интерес, так как стимулируют развитие теории нелинейных явлений в КК.

Б четвертых., жидкокристаллическая структура присуща с вша разнообразным системам, включая растворы, полимеров и биологические (.¡омараш. В связи с &гим исследования структурных, превращений в Ж способствуют прогрессу ь изучении анизотропных вязкоупругих срод вообще.

Кроме того, следует подчеркнуть, что дошшаз структура, возникахдиэ в постоянных электрических полях, слабо- исследованы по сравнению со случим переменных электрических полей. Это, по-видимому, связано с мнением, что поведение ЖК в постоянных и низкочастотных, переменных полях аналогично. Однако, как Судет показано в данной работе, симметрия и динамика доменных структур вине порога их устойчивости для этих двух случаев имеют существенный отличия.

Цель» настояцэй работа является: экспериментальное исследование динамики нестационарных доменных структур, а такке выяснение механизмов их образования и разрушения -в постоянном , электрическом поле.

Научная новизна работы заключается в следущем:

1. Методом .подяризационно-оптического анализа подробно исследована последовательность образования доменных структур при увеличении постоянного электрического поля.

2. Впервые .обнаружено, что при жестких, граничных условиях пленарного слоя ШК домвннне осцилляции самоорганизуются, в ма{фоскопичеоюте концентрические ' и спиралыше фазовые ориентационные волны. Методом микрокинооъьмки исследованы свойства н характеристики обнаруженных нелинейных волн.

3. Феноменологически показана возможность существования фазовых ориент&ционных волн ь одномерной доменной структуре.

4. С ц&ыощыо разработанной методики получения спектральных характеристик прошодаюго через ячейку с ¡ШС света

- Б -

исследован процесс парохода от стационарной псевдогексагональной доменной (ПГД) структур« до ДРС.

Оащ-.щземые положения:

1. При жестких граничных условиях пленарного слоя 1Ш в постоянная электрическом поле имеет место самоорганипация домошшх осцилляция в концентрические и спиральные ОриеНТа-циошгые волны, которые обладают авговолновыми свойствами.

2. Условием возникновения ориентзциошшх воли является расфазировка домешшх осцилляция во всей ПГД структуре. Условием существования обнаруженных волн является частотная синхронизация их источников в пространства, которая достигается при достаточно енсокой гомогенности плянаркого слоя ШКК.

Научно-практическая ценность работа. Проведенные исследования расширяют существующие представления о структурных превращениях в ПК во внешних электрических полях. Результата исследования нестационарных доменных структур и их динамических характеристик могут быть использованы при -разработке различных устройств, в которых используются оптические эффекты на доменных структурах: оптических модуляторов, управляемых дифракционных решеток и т.д. Кроме того, разработанный автоматизированный метод исследования динамики Ж модулированных структур может быть применен для изучения других эффектов и явления в ЖК.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Основные результаты работа были ■ представлены на II Всесоюзном семинаре "Опта Ж" ■ (Красноярск, 1990 г.), 8-ой (Кракоз, Польша, 1939 г.) конференции социалистических стран по жидким кристаллам, 8-ой змей (Аоста, Италия, 1391 г.) и летней (Вильнюс, Латвия, 1991 г.) конференциях европейских стран по кияким кристаллам, иа 14-ой международной конференции по ждаим кристаллам-(Пиза, Италия, 1992 г.).

Объем и структура работа. Диссертация состоит из " введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 139 наименований и приложения-. Работа изломна ил 145 страницах машинописного текста и содержи 46 рисунков и I таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, формулируется цель и задачи исследования, указана новизна полученных результатов, изложены зааищаемие положения. Дана краткая характеристика материалов диссертации.

В первой главе рассмотрены свойства и характеристики диссипативннх модулированных структур, возникающих в НЖК под действием переменных электрических полей.

В § I описанц условия и мс :анизм возникновоття доменов Вильямса-Капустина. Приведенные литературные данные показывают, что стационарный тип ЭГД-нэустойчивости в настоящее время достаточно хорошо исследован и развит во многих аспектах как теоретически, так и экспериментально,

В § 2,0 подробно рассмотрено поведение доменных структур БИО порога ИХ. УСТОЙЧИЕОСТЛ Б рвККШ ПрОВОДИШСМ. АВЙЛ113 имеющихся экспериментальных результатов позволяет сделать вывод, что глобальное большинство исследований проведено для случая доменных структур, наблюдаемых в переменных электрических полях. Обсуждаются различные теоретические подходы при описаний поведения доменных структур выше порога их устойчивости. Отмечается отсутствие единого подхода 'при описании нелинейных явлений, наблюдаемых в яакритической области существования стационарных доменных структур, что делает исследования в этой области актуальными. ■

Во второй главе описаны объекта и методика экспериментальных исследований.

В 5 I оСосновиьается выбор объектов исследования и методика приготовления ЖК-образцов. Исследования динамики нестационарных доменных структур проводились на плоских ячейках с прозрачными параллельными электродами из 5nOz обычной конструкции. Ялаяарная ориентация НЖК (НЕБА) создавалась натиранием поверхностей электродов в одном направлении, пороги доменных неустоячит^стея и состояние моле-кулг.рн.'-Я ориентации ь домлнчх .-пределялипь поляризаииокно-"Птнчесь.П!.; V, методами. Для стабилизации

г"-г.т;ег.а~уры яч-jiVa. с К"й тг.Ч'ЧТ'Ла';;. ь те],мостят.

В § 2 описана экспериментальная устзиоька для исследования динамики о с ци л J ШТ) у !0Ц1! х дсмэннш: структур. Временные спектры мощности были получены методом рчгзсг'рвции промедиего через ячейку с IE3Í усредненного по пространству когерентного света, яромодудироьашгаго локальным измененном оптической анзотроппл <дп(с)> слся !ШЗ£. Отношение сигнал /• шум составляло ~ 10a. Просгранставвшэ характеристики нестационарных домегаш структур изучались дафракциошшм методом. Кроме того, динамика нестационарных доменных, структур исследовалась методом микрокиносъошси.

В § 3 изложена кетодака обработки и анализа экспериментальных дашаж. Б данной работе применялись цифровые метода анализа случайных. процессов. Приведыш тиок? сведения об ошизках и погрешностях, аксперимеит&пышх измерений.

В третьей главе приведет! результаты исследований структурных прэьредтиа в Ш'.К в постоянном &л*ктрическом поле.

Б § I исследован механизм образования стационарной псев-догекгыоналшэй рдаатки доменов. Описана переходные картины, предшествующ-.« возникновению трехмерной ПГД структура. Покаеа-но, что ПГД структура имеет ромбическую симметрию и характера -зуется наличием jmyi особых кристаллографических направлений И1! и [ill, составлящимл угла 60° и 120° соответственно с исходной немозпущэнноЯ ориентацией директора п. Исследовано также Bjainmo основных материальных параметров (диэлектри1. кой анизотропии, анизотропии электропроводимости) на процесс формировании такой структуры. Р .частности, обнаружено, что в смеси МББА с ОТДВ при eJ>-C,I ПГД структура но образуется.

В § г исследуется динамика псеьдогексагоналвной решетки доменов ваше порога устойчивости. Подробно описаны характерные переходные картины, возгакавдиа последовательно при увеличении величины пс.стояшого электрического поля: локальные затухавдии доменные осцилляции; регам генорашш ориентащюшшх вязовых ьолн; когерентные осцилляции доменов; нестационарная азимутальная модулированная структура и режим динамического рассеяния. Такая последовательность доменных неустойчивое?ей при переход^ к ДГС отличается от переходных .картин для случаи переменного ел^ктргмск;го поля. Процесс доменных осцилляции

- в -

представлен как иорс&оьашм Олокоь из дшейшл дсшпи», ориентация которых периодически меняется вдоль кристаллографических направлений 1111 и С1Т]. Обнаружено, что процесс самоорганизации доменшх осцилляции приводит к образовании макроскопических воли двух типов: концентрических и спиральных. ¡Ь рис Л представлена динамика взаимодействия концентрических волн и вращения спиральной -волны. Подробно описаш механизма образования таких если, исследованы их характеристики и показано, что ' обнаруженные ориентациошше волны обладав? автоьолновцми свойствами. Заметим, что до настоящего времени подосина волновые структуры визуально наблюдались лишь в изотропных средах (например, в автскаталктич&ской рэакции Еелоусова-Каботинского). Одной из отличительных, особенностей ориентационних волн является принципиальная невозможность образования спиральных волн с числом рукавов, отличным от двух.• Два типа таких волн сосуществуют в осциллирующей пшзвдогексыонамдюг решетка дс-менов в интервале напряжений от 1.2 Ис до 1,5 и. Шс-8 В • -порог образования ПГД структуры). Скорость распространения орионтациошшх волн линейно возрастает ' с увеличением напряжения. Распространение ориентационних волн имеет пространственно-однородный характер. Длина волны Я. практически не меняется с напряжением и составляет -100+110 ыкм при толщине слоя НЖ ¿=25 тал. Показано, что для возникновения таив волн пршщшиально важными оказываются жесткие граничные условия и высокая гомогенность пленарного слоя . ШСК. При исследовании процесса эволюции от невозмущенного состояния НЖК (и-О) до режима генерации ориентационшх волн (1,25 11с) обнаружено, что генерация волн начинается в момент расфазировки доменных осцилляция и в дальнейшем сопровождается частотйой синхронизацией их источников.

В § 3 методом -временного Фурье-анализа интенсивности прошедшего через ячейку с ЩК . света исследуется динамика доменных осцилляций при увеличении приложенного'напряжения. На рис.2 представлены типичные- врдмяниив спектрц :,',оин;ости доменных осцилляций для различьях, -приложенных напряжений. Показано, что в целом процесс остшлцлй носит нолигар-

у - - » , , ,

1

\ ^

к

^ - 1

. л 1

!

'Л -X"'•

^ ^

Г Т

I V г >ч ч «с ;

$ ' I ^ * > 1

■У

/ 1 ч

* к * 9

»

' ^ ! г * \ , ^ 4 * * ] Е- л, г «Л ~

.• , . а) . <3)

Рис.1. Динамика ориентационшх. вот в осциллирующей ПГД структура: взаимодействие концентрических. волн-а); вращение дьурукавной спиральной волны - б). Интервал между кадрами дг=0,5 с.(Увеличение * 60),

!

i

Г

Рис.2. ÎIïaPEliO OKCUTpü йОщгшитй думвШиХ ОСЦИЛЛЯЦИЯ для различии* приложенных яьпрякдшй.

конический характер, о чем свидетельствует наличие кратных гармоник в спектрах мощности (см.рис.2). С увеличением прижженного напряжения происходит непрерывное уаирение спеьгралыгах линий в спектре мощности, что указывает на непрернвное увеличение числа эффективных степеней свободы осциллирующей ПГД структуры при переходе к ДРС. На рис.3 пролетявл«т зависимости эффективной ширины спектра А! и частоты доменных осцилляний Г от приложенного напряжения И. Анализ экспериментальных данннх показал, что частота дометшх осцилляция зависит от приложенного напряжения следующим образом: Г - си3--^1 )""*, а длина лтнейннх доменов в блоках I - [и*-ио1 ]"'"*. Уменьшение толщичн НЯ!К приводит к росту частоты доменных осшлляпий по ¡закону Т - <Г*.

и, В

Рис.З. Зависимость эф&'Ктивной ширины спектра АТ и частота домешшх осцилляций' Г от приложенного напряжения и тГЛ, сЬ"25 мкм).

В 5 4 метолом оптической дафракцяи исследован процесс перехода от стационарной ПГД структуры до рчжимп динамического рассеяния. Показано, что с увеличением приложенного няпрязюштя происходит ук-тшн№1 хярмег.*ристкп?'ски1 рюшроп осциллирую-кол ИГЯ структуры. ГЭтч согласуется с омоют.: о т-а», '¡г" рюмер

*

рассеивающих центров уменьшается с напряжением. Здесь же впервые показано, что при жестких граничных условиях пленарного слоя ]Ш в постоянном елейтрйческом поле имеет место пространствешо-времекнная синхронизация доменных осцилляция.

Четвертая глава посвящена теоретической интерпретации полученных результатов.

В § I получены теоретические оценки пороговых характеристик трехмерной псевдогексагональной решетки доменов Ш =8,5 В, кхс'Ьус»1.3). котоРые находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными <ио*8 В, к^,./к^-1,2),

В § 2 показана возможность существования фазовых волн в одномерной доменной структуре (домены Внльямса). Методом многомасштабного разложения получено зависящее от времени уравнение Гинзбурга-Ландау, описывающее медленную эволюцию доменной структуры выше порога ее устойчивости:

<?А , К Э'А,3 ооК(Тч1,и,Л|»_п

^ тсрак^5 а а 5 53т{ 1 1

где А-медленно изменяющаяся амплитуда; Тг и Х-"медленные" время и координата; К-модуль упругости; ч-коэффицивнт ориеитационной вязкости; й-толщина слоя НЖ; д-волновой вектор доменной структуры. Экспериментально такие волны могут наблюдаться, в виде распространяющейся волны ' сжатия и растяжения ролов. Фронт волны в данном случае представляет из себя границу молод? доменами с разными волновыми векторами.

■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

I. Методами . временного Фурье-анализа интенсивности прошедшего света и оптической дифракции исследован процесс перехода от стационарной ИГЛ структуры до режима динамического рассеяния света и пленарном слое НЖ при жестких граничных условиях. Показано, что такой переход сопровождается непрерывным увеличением числа эффективных степеней свободы осциллирующей ПГд структуры.

?.. Последовательность переходных картон для случаи постоянного, электрического поля отличается от случая переменного электрического поля. Вше порога устойчивости

ста^юнарной доменной структура Бгмршв обнаружена следующая последовательность структурных переходов: локальные затухающие доменные' осцилляции —» р*£ш генерации орисштацвоюш моральных и коянвнгричбсках воля —» когерентные осцилляции демонов .—. нэсташои&рибя азимутальная кодулироьакяая отр>кчура --•» /¡шш.ичеоксго рассвяшш.

3. &>';|1*>|«»»НТ»ЛЫ10 ИсСЛОдОВЗНи СВСЙСТЬЭ Ц ПОЛУЧОНЦ Х8-psKi-epacriaa ори&нтацноишис волн. Методами полярцзацношю-onmesuift микроскопии и мнкрскиносьемки доказано, что o6h8|.yifei»iu» полни являюгея фазовшэ, так как ¡три их распространении но происходит шрем-ладаия доменов псивдогексагональ-ноа модулиров&л-^а структура.

4. Экшэршанталько доказан.., что ?*>ышо {.иентвшюшшб волна образуются а результате рбсфюврош! ломшнцх • осцилляция; условиями распространения боли являются жесткие ГР81ШЧШ9 условия И СИШфОННЗ&ШШ КОЗл/ДОЛ их источников (доменных блоков) ьо всей осш1Л.л"рущей ПГД струкч-ур*. которая достигается ¡гри высокой гомогенности пленарного „адя ИХС.

5. Полученные теоретические оценки нореговьх характеристик образования стапяонарной трехмерной дометюл структуры хорошо согласуются с экспериментальными данными. 4онсменологи-чески показана возможность существования фазовых боли виге порога устойчивости стационарной доменной структуры.

Основные материалы диссертации опубликованы в следунцдк печатных работах:

1. Scaldln О.А., Delev V.A., Chuvyrov A.M. "Dlpole" vortex Instability in neraallc Liquid crystal/WIII Liquid Crystal Conference oi Socialist CountrlcB. Abstracts. Poland,

' Krakow. 1989. P.IIO.

2. Скалдин O.A., Жеребов А.Ю., Лачинов A.if., Чувыров A.i{., Делав В.А. Зарядовая неустойчивость в тонких пленка^ органических полупроводшпссБ // Письма в ЮГФ. 1990. Т.61, В.З. C.I4I-I44.

3. Delev V.A., Scaldln О,A., Chuvyrov A.N. Light diffraction by nettutlc domain ft t met иге s //3rd Int. Toploa 1 Meeting on

the Optics of Liquid Crystals. Abstracts. Italy,Cetraro. t990. P.35-36.

4. Delev V.A., Scaldin O.A., Chuvyrov A.H. Autostochastlc oscillation of diesipative structures in nematJc liquid crystals//3rd Int. Topical Meeting on the Optics oi Liquid Crystals. Abstracts. Italy,Cetraro. 1990. P.61-62.

5. Делев В.А., Скалдин O.A., Чувыров A.H. Дифракция света на модулированных структурах нематпка П II-ой Всесоюзный семинар "Оптика ЖН". Тезисы докл.Красноярск. I990.T.I.С.8-9.

6. Pelev V.A.,Scaldin О,А., Chuvyrov A.N. Orlentational waves in nematic liquid crystalo//Summer European liquid Crystal Conference. Abstracts. Lithuania, Vilnius. 1991. F.H^8.

7. Delev V.A., Scaldin O.A., Chuvyrov A.N. Auto-waves in liquid crystals I: Kons tationary electrohydrodynamlc instability// Kol.Cryst.Llq.Cryst. 199Э. V.2I5. P.179-186.

8. Chuvyrov A.N., Scaldin O.A., Delev V.A. Auto-waves in liquid crystals II: Uniform fast oscillating flows // Mo'l. Cryst. Llq. Cryct. 1992. V.2I5. P.187-I93.

9. Delev V.A., Scaldin O.A., Chuvyrov A.H. Dynamics of diesipative structures and the transition to turbulence in a ncmatic liquid crystal // Llq. Cryst. 1992. V.I2, * 3. P.441-449.

10. Delev V.A., Scaldin O.A., Chuvyrov A.N. Spatiotemporal analysis of domain structures in the none tationary elec-trohydrodynaralc instability of nematic liquid crystal In a DC-electr1c flail // 14th International Liquid Crystal Conference. Abstracts. Pisa, Italy. 1992. P.37.

28Д-92П. Заказ 490, тираж 100 экз. Ротапринт Банкирского унипероитета