Микрополосковые измерительные резонаторы в исследованиях диэлектрических свойств жидких кристаллов и биополимеров на сверхвысоких частотах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И БИОПОЛИМЕРОВ.

§1.1. Методы исследования комплексной диэлектрической проницаемости.

§ 1.2. Микрополосковые резонаторы для измерения диэлектрической проницаемости в дециметровом диапазоне волн.

§ 1.3. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая анизотропия нематических жидких кристаллов.

§ 1.4. Диэлектрические константы биополимера полиоксибутирата.

§1.5. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

И БИОПОЛИМЕРОВ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.

§ 2.1. Разработка микрополосковых измерительных резонаторов для измерения диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

§ 2.2. Установка для исследования высокочастотной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров.

§ 2.3. Методика измерений диэлектрических характеристик жидких кристаллов и биополимеров на сверхвысоких частотах

ГЛАВА 3. ДИЭЛЬКОМЕТРИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.

§ 3.1. Микрополосковый метод исследования ориентационных фазовых переходов в жидких кристаллах на сверхвысоких частотах

§ 3.2. Особенности высокочастотных спектров диэлектрической проницаемости жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов.

§ 3.3. Двойная инверсия знака диэлектрической анизотропии в алкилцианобифенилах.

ГЛАВА 4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

БИОПОЛИМЕРА ПОЛИОКСИБУТИРАТА.

§ 4.1. Исследование диэлектрических констант пленок биополимера полиоксибутирата с помощью разработанных микрополосковых датчиков.

§ 4.2. Особенности поведения диэлектрической проницаемости растворов сополимеров полиоксибутирата и полиоксивалериата в хлороформе.

§ 4.3. Температурно-частотная дисперсия диэлектрических потерь растворов гетерополимеров.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Исследования диэлектрических констант различных материалов в широком диапазоне частот важны не только с прикладной точки зрения, но и часто необходимы при решении фундаментальных задач физики. Диэлькометрия, как известно, является одним из мощных инструментов исследования молекулярной структуры веществ. В частности, по спектрам комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов (ЖК), снятых в радиочастотном диапазоне, определяют типы релаксационных движений молекул в мезофазе, измеряют времена релаксации и другие важные характеристики ЖК. Исследования материалов в инфракрасном диапазоне длин волн позволяют определить окна прозрачности, полосы максимального поглощения, а также возможности управления ими.

Особый интерес представляют исследования в дециметровом диапазоне волн, так как в этом частотном диапазоне могут проявляться внутримолекулярные движения как в ЖК, так и в более высокомолекулярных соединениях, таких, как биополимеры. Однако в этом диапазоне длин волн данных по диэлектрическим характеристикам ЖК и биополимеров недостаточно [1-3]. Это объясняется трудностями проведения эксперимента в дециметровом диапазоне волн, где датчики на сосредоточенных элементах уже не работают, а электродинамические системы с распределенными параметрами имеют большие размеры, вследствие чего требуется большой объем измеряемого вещества, иначе малый коэффициент заполнения устройства ухудшает точность измерений. Это является одной из причин того, что сверхвысокочастотные (СВЧ) методы практически не использовались при исследовании жидких кристаллов и биополимеров. Поэтому задача разработки прибора для исследования диэлектрических характеристик в дециметровом диапазоне волн и выявление особенностей поведения высокочастотной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров является актуальной на сегодняшний день.

Целью данной работы явилось:

1. Разработка измерительных микрополосковых резонаторов для исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

2. Исследование высокочастотной действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости нематических жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов.

3. Исследование диэлектрической проницаемости биополимера полиок-сибутирата и его сополимеров в твердом состоянии и в растворах в хлороформе.

Научная новизна: 1. Разработаны высокочувствительные микрополоско-вые измерительные резонаторы для исследования комплексной диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне длин волн.

2. Экспериментально исследована область аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости в нематических жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн. Показано, что частота дисперсионной области не зависит от длины ал-кильных цепей. Амплитуда же дисперсионной области максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.

3. Показано, что дополнительная дисперсионная область проявляется в растворах жидких кристаллов в бензоле.

4. В жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов обнаружено смещение частоты повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на основе дебаевского процесса релаксации.

5. В пленках биополимера полиоксибутирата выявлено увеличение диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин волн.

6. Установлено, что значительные вариации диэлектрических инкрементов и соответствующих им средних дипольных моментов связаны со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.

Практическая ценность: Разработанные высокочувствительные измерительные микрополосковые резонаторы для исследования комплексной диэлектрической проницаемости позволяют проводить электрополевые, температурные, частотные, релаксационные и др. исследования жидкостей, и в частности, жидких кристаллов и биополимеров. Созданная экспериментальная установка на базе микрополосковых измерительных резонаторов может с успехом использоваться для исследования диэлектрической проницаемости растворов различных концентраций, гелей и других конденсированных сред.

Экспериментально обнаруженная повторная смена знака диэлектрической анизотропии ЖК может быть использована при разработке жидкокристаллических устройств в СВЧ диапазоне.

Отсутствие дисперсии диэлектрической проницаемости биополимера полиоксибутирата в интервале частот электромагнитного поля от 10 МГц до 10 ГГц и довольно высокая температурная стабильность диэлектрической проницаемости (Де'(Т)/ДТ=0.0005) в сочетании с малой величиной диэлектрической проницаемости (е'=2.2-2.24) и высокой температурой размягчения (Т=150-180 °С) говорит о перспективности использования полиоксибутирата в качестве защитного покрытия СВЧ плат.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции "Решетневские чтения" (Красноярск, 1998г.), Всероссийской с международным участием конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 1998г.), 8ой международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина, 1998г.), IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1998г.), 9ой международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина, 1999г.), XIII Conference on Liquid Crystals (Krynica, Poland, 1999г.), 10ой международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" ( Севастополь, Украина, 2000г.), V международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2000г.) 18th International Liquid Crystal Conference (Sendai, Japan, 2000).

Публикации: Основные результаты диссертации изложены в 19 печатных работах, 7 из которых опубликованы в центральных журналах (ЖТФ, Письма в ЖЭТФ, ФТТ, Доклады АН, Биофизика).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны высокочувствительные микрополосковые измерительные резонаторы для измерения действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости жидких кристаллов и биополимеров в дециметровом диапазоне волн.

2. На их основе создана экспериментальная установка, позволяющая с относительной точностью не хуже 10"2 фиксировать значения действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости ЖК в диапазоне частот от 50 до 1000 МГц при измерении частотных и температурных зависимостей диэлектрической проницаемости, а так же при исследовании диэлектрической проницаемости в электрических и магнитных полях.

3. Экспериментально исследована область аномальной дисперсии диэлектрической проницаемости в нематических жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов (5СВ, 7СВ, 8СВ) в дециметровом диапазоне длин волн. Показано, что частота дисперсионной области не зависит от длины ал-кильных цепей. Амплитуда же дисперсионной области максимальна для 5СВ, имеющего меньшее число алкильных групп и более высокую частоту релаксации. При повышении температуры в нематической фазе ЖК частота дисперсионной области не изменяется, амплитуда же увеличивается, проявляя критический рост при фазовом переходе нематик- изотропная жидкость.

4. Показано, что дополнительная дисперсионная область проявляется в растворах жидких кристаллов в бензоле.

5. В жидких кристаллах группы алкилцианобифенилов обнаружено смещение частоты повторной смены знака диэлектрической анизотропии относительно вычисленной на основе дебаевского процесса релаксации.

6. В пленках биополимера полиоксибутирата выявлено увеличение диэлектрической проницаемости с ростом температуры в дециметровом диапазоне длин волн.

7. Установлено, что значительные вариации диэлектрических инкрементов и соответствующих им средних дипольных моментов связаны со средними молекулярными массами биополимера полиоксибутирата.

В заключение выражаю глубокую признательность и благодарность научным руководителям: доктору технических наук Беляеву Борису Афанасьевичу и кандидату физико-математических наук Дрокину Николаю Александровичу за предложенную тему, поддержку и помощь в работе. За плодотворное обсуждение экспериментальных результатов по жидким кристаллам хочу выразить благодарность чл.-корр. РАН Шабанову Василию Филипповичу и к.ф.-м.н. Зырянову Виктору Яковлевичу, а по биополимерам - профессору Воловой Татьяне Григорьевне. Благодарю за помощь и поддержку всех сотрудников лаборатории.

1. Lippens D., Parneix J.P, Chapoton A. Hl Phys. Paris, 38,1465 (1977).

2. Druon С. and Wacrenier J.M. //J. Phys. Paris, 38,47 (1977).

3. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. -M., "Наука", 1978.

4. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М., "Химия", 1967.

5. Cole K.S., Cole R.H. // J. Chem. Phys., 9, 341 (1941).

6. Oncley J.L.// J. Am. Chem. Soc., 60, 1115 (1938).

7. Потапов A.A. Молекулярная диэлькометрия. Новосибирск, "Наука", 1994.

8. Емкосины / Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н., Левицкий A.C. и др.-Киев: Наук, думка, 1990. 168 с.

9. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с.

10. Завьялов A.C., Дунаевский Г.Е. Измерение параметров материалов на сверхвысоких частотах. Томск, Изд-во Томского университета, 1985, 216 с.

11. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах. М.: ФМ, 1963, 368 с.

12. Потапов A.A., Гудков О.И. Метрологическое обеспечение средств измерений диэлектрической проницаемости. М.: ВНИИКИ, 1979, 56 с. (Сер. Метрологическое обеспечение измерений).

13. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М.: Наука, 1963,370 С.

14. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Применение микрополосковых резонаторов для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов наСВЧ. //ЖТФ, 65, 2, 189 (1995).in

15. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др.; Под ред. В.И. Вольмана М., Радио и связь, 1982, - 328 с.

16. Barry W.A. A broad-band, automated, stripline technique for the simultaneous measurement of a complex permittivity and permeabillity. // IEEE Trans. Microw. Theory and Techn. V. 34, No. 1, 1986, pp.80-84.

17. Микроэлектронные устройства СВЧ. H.T. Бова, Ю.Г. Ефремов, В.В. Конин и др. Киев: Техника, 1964. - 184 с.

18. Silvester P. and Benedek P. Equivalent Capacitances of Microstrip Open Circuits. // IEEE Trans, on MTT, 20,-8, 511 (1972).

19. Заикин В.А., Рекшинский В.А. Подстройка частоты узкополосных микрополосковых фильтров изменением конфигурации резонаторов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 9, 14 (1984).

20. Bernard P.A., Gautray J.M. // IEEE Trans, on MTT, 39, 3, 592 (1991).

21. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н. Алехин и др. М.: Высш. шк., 1988. -280 с.

22. Coen S., Gladwell G. A Legendre Approximation Method for the Circular Microstrip Disk Problem. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., vol. MTT-25,1, 1 (1977).

23. Конструирование и расчет полосковых устройств / Под ред. И.С. Ковалева М.: Советское радио, 1974, с.86.

24. Sharma А.К., Bhat В. Analysis of Triangular Microstrip Resonators //IEEE Trans, on Microwave Theory and Techn., MTT-30,11, 2029 (1982).

25. Беляев Б.А., Тюрнев B.B., Журавлев B.A., Кириченко В.И., Сусляев В.И. Ячейка для измерения диэлектрической постоянной жидкости //Авт. свид. СССР №1720032, БИ № 15, 1993.

26. Makimoto M., Yamashita S. Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators. // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., 28, 12, 1413 (1980).

27. Беляев Б.А., Тюрнев B.B., Васильев B.A., Рагзин Г.М. Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Часть 2.// Препринт 448Ф, Красноярск, Институт физики СО АН СССР, 1987, 44с.

28. Беляев Б.А., Лексиков А.А., Тюрнев В.В. Ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости. // Патент России №2089889.

29. Беляев Б.А., Лексиков А.А., Тюрнев В.В., Шихов Ю.Г. Микрополосковый датчик для исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах. // ПТЭ, 3, 112, 1997.

30. Тюрнев В.В., Беляев Б.А. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 4, 25 (1990).

31. Беляев Б.А., Лексиков А.А., Сергиенко П.Н., Шихов Ю.Г. Датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкостей. // Патент России №2134425.

32. Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. // М.: Наука, 1983,320 с.

33. Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., "Наука", 1978.

34. Debye P. Polar Molecules. New York, 1929.

35. C.J. Adam, S J. Clark, G.J. Ackland, and J. Grain // Physical Review E, 55, 5 (1997).

36. M. Schadt.//J. Chem.Phys. 56,1494(1972).

37. G.W. Gray, K.J. Harrison and J.A. Nash // Electron. Lett, 9, 130 (1973).

38. Cummins P.G, Dunmur D.A, Laidler D.A. //Mol. Cryst. Liq. Cryst, 30, 109(1975).

39. MadaH., Nishikawa A. //Jpn. J. Appl. Phys., 32,1009 (1993).

40. Leadbetter A.J., Richardson R.M. et Colling C.N. // J. Physique Colloq. 36, (1975).

41. Leadbetter A.J., Frost J.C., Caughan J.P., Gray G.W. and Mosley A. //J. Phys. Paris, 40,375(1979).

42. Bordewijk P. // Physica 75,146 (1974).

43. WacrenierJM.,DruonC., LippensD.//Molec.Phys.,43,1,97(1981).

44. Nordio P.L., Rigatti G. and Segre U. // Molec. Phys., 25,129 (1973).

45. F. Rondelez. // Solid State Comm., 11, 1675 (1972).

46. W. Maier, G. Meier. // Z. Naturforsch, 16a, 262 (1961).

47. Волова Т.Г., Калачева Г.С. Полиоксибутират термопластичный биодеградируемый полимер (получение, свойства и применение). // Препринт № 131Б Института биофизики, Красноярск 1990 г. с.47.

48. Жидкокристаллические полимеры. Волохина A.B., Годовский Ю.К., Кудрявцев Г.И. и др. // М., Химия, 1988, 418 с.

49. Борисова Т.И., Бурштейн Л.Л., Никонорова H.A., Степанова Т.П., Скороходов С.С. //Высокомол. соединения, 40, сер. А, 1, 38 (1998).

50. Akita G., Einaga Y., Miyaki Y., Fujita H. // Macromolecules, 9, 774 (1976).

51. Holmes P.A. In: Developments in crystalline polymers.-2. // Ed.; Elsevier: London, 1988. p.65.

52. Pratt G.J., Smith M.J.A. // Eur Polym J., 33, 857 (1999).

53. Pratt G.J., Smith M.J.A. // Eur Polym J., 35, 909 (1999).

54. Ashraf A.M, Gamal R.S, Amany H.H. // Polymer, 40, 5377 (1999).

55. Кравчук C.A., Нарытник Т.Н., Якименко Ю.И. Обзоры по электронной технике. // Электроника СВЧ, Сер. 1, 3, 52, (1987).

56. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Датчик для исследования СВЧ диэлектрических характеристик жидких кристаллов. // Труды всероссийской с международным участием конференции "Современные проблемы радиоэлектроники", Красноярск, 1998г., стр. 184-185.

57. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Тюрнев В.В., Шепов В.Н. СВЧ ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости. // Авт. свид. на полезную модель № 95106068. Бюл № 3 16.03.1997.

58. Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Елисеев А.К., Шихов Ю.Г., Рагзин Г.М. Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. // Препринт 468Ф, Часть 3, Красноярск, Институт физики, 1988, 62с.

59. Беляев Б.А., Дрокин H.A., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Исследование СВЧ-диэлектрической проницаемости жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. // ЖТФ, 68, 1, 117 (1998).

60. W. Helfrich // Phys. Rev. Lett. 24, 201 (1970)

61. Шепов В.Н. Исследование диэлектрической проницаемости жидкого кристалла 5СВ в дециметровом диапазоне волн. // Вестник КГТУ, 9, 164 (1997).

62. Шепов В.Н. Особенности диэлектрической спектроскопии нематических жидких кристаллов в дециметровом диапазоне волн. // Тезисы доклада "Конференции молодых ученых", Красноярск, 1997, стр.67-68.

63. Фредерике В., Золина В. // Trans. Faraday Soc., 29, 919 (1933).

64. Фредерике В., Цветков В. // Sov. Phys., 6, 490 (1934).

65. Де Жен. П. Физика жидких кристаллов. M., Мир, 1977.

66. Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шабанов В.Ф., Шепов В.Н. Особенности диэлектрических спектров жидкого кристалла 5СВ в дециметровом диапазоне волн. // Письма в ЖЭТФ, 66, 4, 251 (1997).

67. Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шепов В.Н. Высокочастотные диэлектрические спектры жидких кристаллов и их связь с конформационной подвижностью молекул. // Тезисы доклада Всероссийской конференции "Решетневские чтения", Красноярск, 1998г., стр. 112-113.

68. B.A. Belyaev, N.A. Drokin, V.F. Shabanov, V.N. Shepov. Dielectric Permittivity of liquid crystals of alkylcyanobiphenyl series in the decimeter wavelength range. // XIII Conference on liquid crystals, Krynica Zdroj, Poland, 1999.

69. Б.А.Беляев, Н.А.Дрокин, В.Ф.Шабанов, В.Н.Шепов. Диэлектрическая проницаемость жидких кристаллов группы алкилцианобифенилов в дециметровом диапазоне волн. // ФТТ, 42, 5, 956 (2000).

70. Фрелих Г. Теория диэлектриков. М., "Изд. ин. лит.", 1960.

71. Б.А.Беляев, Н.А.Дрокин, В.Ф.Шабанов, В.Н.Шепов. Инверсия знака диэлектрической анизотропии в жидких кристаллах 4-пентил-4'-цианобифенил в дециметровом диапазоне волн // ФТТ, 42, 3, 564 (2000).

72. J.W. Emsley, J.C. Lindon and G.R. Luckhurst // Mol. Phys., 30, 6, 1913 (1975).

73. J.W. Emsley, B.M. Fung, N.J. Heaton, G.R. Luckhurst // J. Chem. Phys. 87,5,3099(1987).

74. K. Akasaka, M. Kimura, A. Natio, H. Kawahara and M. Imanari // J. Phys. Chem. 99, 23,9523 (1995).

75. A.Ferrarini, P.L.Nordio, G.J.Moro // Mol. Cryst. Liquid Cryst., 159, 198 (1991).

76. Беляев Б.А., Волова Т.Г., Дрокин H.A., Шепов B.H. СВЧ диэлектрическая проницаемость полиоксибутирата. // Труды 9ой международной конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 1999г., стр. 270-271.

77. Беляев Б.А., Волова Т.Г., Дрокин H.A., Шепов В.Н. СВЧ диэлектрическая проницаемость полиоксибутирата деградируемого биополимера // Доклады АН, 370, 6, 828 (2000).

78. Беляев Б.А., Волова Т.Г., Дрокин H.A., Шепов В.Н. Исследование диэлектрической проницаемости полиоксибутирата включая СВЧ диапазон //Биофизика, 4, 635 (2000).

79. Базаров И.П., Геворкян Э.В. Статистическая физика жидких кристаллов. М., Изд-во Московского университета, 1992.

80. Веденов A.A. Физика растворов. М., "Наука", 1984.

81. Barham P.J, Keller A, Otun E.L, Holmes P.A. // J. Mater. Sei. 19, 2781 (1984).

82. Marchessault R.H, Bluhm T.L, Deslandes Y, Hamer G.K, Orts W.J, Sundararajan P.R, Taylor M.G. // Macromol. Chem, Macrom.Symp, 19, 235 (1988).