Радиационные эффекты и структуры сложных дефектов в жидких кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

РГ6 ОД

'І З ЙЮН 1397

На правах рукопису

КУКСКНОК Ольга Вікторівна

РАДІАЦІЙНІ ЕФЕКТИ ТА СТРУКТУРА СІСЛАДНИХ

ДЕФЕКТЮ В редких КРИСТАЛАХ

01.04.15 = фаит молекулярних та рідких кристалів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичкнх чяук

Київ-1997

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Науковому центрі “Інститут Ядерних Досліджень” Національної Академії Наук України та Держкоматому України

Науковий керівник доктор фізико-математичннх наук

Шияновський Сергій Владиславович Офіційні опонента доктор фізико-математичних наук,

професор Пінкевич Ігор Павлович доктор фізико-математичних наук Лев Богдан Іванович Провідна організація; Інститут Фізики Напівпровідників НАНУ.

Захист дисертації відбудеться “1997р. о //У**

17 шд. на засіданні спеціалізованої Вченої ради ІС01.96.02. при Інституті фізики НАН України (252650, МСП, Київ -22, проспект Науки,46)

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізики НАН України. ~

Автореферат розісланий “ $ 1997р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради О.В.Пржонська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рідкі кристали (РК) являють собою дуже цікавий об'єкт досліджень, оскільки з одного боку, мають реологічні властивості рідини, а з другого - оптично анізотропні. Рідкокристалічні системи чутливі до зміни зовнішніх умов, зокрема прикладання електричного та магнітного полів. Найбільш яскравою реакцією на зовнішню дію є зміна оптичних властивостей систем. Електрооптичні ефекти, що спостерігаються в РК, є основою їх успішного використання в системах відображення інформації вже на протязі кількох десятиріч.

Останнім часом одним з найпопулярніїшх напрямків фізики РК стала фізика гетерогенних рідкокристалічних систем [1-3]. Великий інтерес обумовлений головним чином використанням гетерогенних систем в системах відображення інформації, оскільки відповідні індикатори мають ряд суттєвих переваг в порівнянні з традиційними гомогенними індикаторами. На початку 90-х років почались інтенсивні дослідження зовсім нових гетерогенних РК-систем - так званих “наповнених нематиків” [2,3], що являють собою розчин колоїдних частинок в рідкокристалічній матриці. Дослідження таких ефектів, як зміна світлорозсіяння при прикладені зовнішнього електричного поля, ефекти пам’яті, дають змогу вважати ці системи перспективними для практикного використання [2,3].

Не зважаючи на швидкі темпи та різнопланові напрямки досліджень РК, ефекти взаємодії іонізуючого опромінювання з РК вивчені недостатньо [4]. Дослідження радіаційних ефектів в РК цікаві з теоретичної точки зору для розуміння процесів взаємодії опромінювань з анізотропним середовищем і перспективні з практичної точки зору насамперед для визначення радіаційної стійкості РК, особливо для оцінки роботи різноманітних РК-індикаторів в умовах підвищеної радіації.

Метою роботи було теоретичне дослідження деяких радіаційних ефектів та виникаючих структур в гетерогенних РК-системах.

Наукова новизна. В дисертаційній роботі вперше отримані такі наукові результати:

1- запропоновано механізм впливу опромінення на електропровідність РК з дисоціюючими та донорно-акцепгорними домішками, що враховує взаємодію між домішковими та радіаційно-індукованими власними іонами;

2 - знайдена немонотонна залежність провідності від інтенсивності опромінення при різних концентраціях домішок та різних температурах, яка якісно пояснює відповідні експериментальні результати;

3 - проведений розрахунок структур поля директора, що виникають навколо колоїдного сферичного включення (СВ) з нормально орієтуючою

З

поверхнею в нематичному РК з жорсткими граничними умовами на його поверхні;

4 - знайдений точний розв’язок рівняння рівноваги у випадку слабкої енергії зчеплення на поверхні СВ;

5 - варіаційним методом на вибраному класі пробних функцій розраховано розподіл поля директора навколо СВ для будь-яких значень енергії зчеплення на його поверхні;

6 - отримані умови структурного переходу між двома можливими типами структур в гетерогенній системі нематик - СВ при зміні зчеплення на його поверхні;

7 - проаналізовано вплив опромінення та зовнішнього електричного поля на можливість структурних переходів в гетерогенній системі нематик -СВ.

Положення, які виносяться на захист:

1. Запропонована модель електропровідності РК з домішками під опроміненням, яка враховує взаємодією і рекомбінацією радіаційно-індукованих власних іонів і доігішкових іонів, що утворюються завдяки термодисоціації або донорно-акцепгорного переносу. Вибір відповідних параметрів теорії дозволяє якісно і кількісно відтворити експериментально оірману немонотонну залежність електропровідності РК від інтенсивності опромінення і температури при різних концентраціях домішок.

2. Розрахунок поля директора навколо сферичного включення з гомеотропними граничними умовами на його поверхні в нематичному РК, який показує можливість виникнення гладких та дефектних структур.

3. Народження або зникнення дисклінаційної петлі навколо сферичного включення при зміні зовнішніх умов (енергії зчеплення, прикладанні зовнішнього поля чи опроміненні) повинно відбуватися скачком і є орієнгаційним переходом першого роду.

Практична цінність роботи. Результати роботи можуть бути використані для постановки та інтерпретації нових експериментів на опромінюваних РК, що мають за мету вивчення електричних властивостей РК, в тому числі гетерогенних, та при проведенні оцінок радіаційної стійкості конкретних РК та можливості роботи відповідних припадав на їх основі в умовах підвищеного радіаційного фону. Запропонована в роботі модель взаємодії домішкових та радіаційно-індукованих власних іонів дає можливість пояснити особливості отриманої експериментально поведінки електропровідності неочшцених РК під опроміненням. Передбачені структурні переходи в гетерогенній системі нематик - СВ з орієнтуючою поверхнею під впливом зовнішнього електричного поля дають змогу

зрозуміти механізм дії електрично керованого світлорозсіягіня в таких системах.

Внесок автора. Особисто автором: складено пакет чисельних програм для розрахунку провідності РК з домішками від інтенсивності опромінення для різних типів та концентрацій домішок; розроблено методику та проведені аналітичні і чисельні розрахунки структур поля директора, що виникають навколо колоїдного СВ з нормально орієнтуючою поверхнею в нематичному РК в залежності від параметрів системи; запропоновано модель впливу опромінення на можливість структурних переходів в гетерогенній системі нематик - СВ; проведено аналітичні та чисельні розрахунки структурних переходів в такій системі при зміні зовнішніх умов. Постановка задач та обговорення одержаних результатів проводилися з науковим керівником та співавторами.

Достовірність результатів забезпечується використанням сучасного математичного апарату та корректних фізичних моделей; використанням аналітичних пакетів при проведенні громіздких аналітичних обчислень та високою точністю чисельних обчислень.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи були представлені на Різдв’яній конференції по рідких кристалах (Київ,1995), Міжнародній школі-конференції “Електронні процеси в органічних матеріалах” (Київ,1995), Щорічній науковій конференції Інституту ядерних досліджень НАНУ (Київ,1995), 6-й Міжнародній конференції “Нелінійна оптика рідких та фоторефрактивних кристалів” (Крим, 1995), Міжнародному симпозіумі “Високотехнологічі системи відображення інформації та технології електронних мереж” (Берлін, 1996), 16-й Міжнародній

рідкокристалічній конференції (Кент, 1996), а також на семінарах відділу теоретичної фізики НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України та відділу фізики кристалів Інституту Фізики НАНУ.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 друкованих робіт.

Об’єм роботи. Дисертація викладена на 121 сторінці друкованого тексту і містить 15 рисунків. Бібліографія містить 46 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку та списку літератури, що цитується. У вступі обгрунтована актуальність теми дослідження, вказано мету роботи, показана наукова новизна та практична цінність роботи, сформульовані положення, що виносяться на захист.

В першому розділі приведений короткий огляд літератури по радіаційній фізиці РК та основним напрямкам досліджень різних

гетерогенних РК - систем, а також коротко означені основні аспекти щодо проблеми дивергентних доданків в енергії Франка-Озеєна.

Зазначається, що колоїдні суспензії в РК-матриці взагалі є дуже цікавою і перспективною, але водночас дуже складною системою, причому існують труднощі як експериментального, так і теоретичного характеру (нелінійність проблеми та складна геометрія таких систем); підкреслюється необхідність теоретичних розрахунків різного типу гетерогенних РК-систем для розуміння і прогнозування їх поведінки, великою мірою завдяки можливості їх практичного використання.

Розглядаючи взаємодію іонізуючих випромінювань з мезогенними речовинами, слід виділити два аспекте. По-перше, опромінення іонізує мезогенні молекулами так само як і молекули інших немезогенних рідин; наступна рекомбінація іонів може призводити до виникнення домішок. Подруге, що суттєво особливо при вивченні гетерогенних РК-систем, електрооптичні властивості яких визначаються структурою поля директора в мезогенній компоненті, опромінення може приводити до зміни поля директора, а отже і властивостей таких систем. В даній дисертаційній роботі розглядаються обидва аспекти.

Дослідження по радіаційній фізиці РК показали, що значна частина радіаційних ефектів пов’язана зі змінами електричних властивостей, оскільки електропровідність являється найбільш радіаційно-чуттєвою характеристикою РК [4]. Серед експериментальних робіт по вивченню ефектів, зумовлених впливом опромінення на РК, особливо відмічаються роботи [5,6], в яких вперше вивчались характеристики РК саме в процесі опромінення. В цих роботах спостерігались нетривіальні ефекти в електропровідності ефірів холестерину при рентгенівському опроміненні: незважаючи на те, що під опроміненням внаслідок іонізації молекул збільшується кількість катіонів і аніонів, з ростом інтенсивності струм падав при малих інтенсивностях опромінення. Ефект мав місце тільки для неочшцених зразків. При високих інтенсивностях опромінення з ростом інтенсивності електропровідність зростала. В наступному розділі дисертації запропонована модель поведінки РК з домішками під опроміненням, яка дозволяє пояснити експериментально отримані закономірності.

Другий розділ присвячений теоретичному розрахунку електропровідності РК під опроміненням. Розглядаються РК з домішками різних типів. Без опромінення електропровідність РК є звичайно домішковою, оскільки ймовірність термічної іонізації більшості молекул РК мала [4]. Домішкові іони можуть виникати внаслідок (підрозділ 2.1.): дисоціації (дисоціюючі домішки), малої енергії іонізації (донорні домішки), та великої спорідненості до електрону (акцеїгшрні домішки).

6

Нехай в загальному випадку в зразку присутні домішки всіх типів з концентраціями Р ,Р,, та Р. для дисоціюючих, донорних та акцегггорних

домішок відповідно. Для опису оборотних змін електричних властивостей опромінюваних мезогенних рідин необхідно врахувати наступні процеси.

Опромінення іонізує молекули РК 2МоС*+С',де N. с~, С*- коїщентрації

1

власних молекул та іонів, І-потужність дози опромінення. Наявність домішок зобумовлює появу домішкових іонів внаслідок: дисоціації Р на іони в

зворотної термоіонізації нейтральної донорної домішки та аналогічного процесу для акцеїтгорної домішки

РІ + К»\\^+СГ,Р, + ЬГ<І\У,‘+С+, де V/', \У*,, У//,- катіоші і аігіони

Рі р.

домішок різних типів. Зустріч нейтрального донора з катіоном РК може привести до незворотньої іонізації донора Ра +С+ + N > для акцептора

5.

такий процес можливий при зустрічі з аніоном РК Р, + сг -> \У ‘ + N. Утворені

в результаті описаних процесів іони РК при взаємодії з іонами дисоціюючої домішками протилежних знаків можуть створювати нейтральні метастабільні

®і

продукт радіолізу - комплекси с±+*’«к1, тут у,ЦГ,§(„1,р±,а±,р„1,а1,4-

Р±

кінетичні коефіцієнти відповідних процесів. Концентрації компонент знаходяться з розв’язку відповідної системи кінетичних рівнянь і дають змогу визначите електропровідність зразку як

о=и;сг +ц;с-+ц;\г+ц^+юу.- , (і)

де - відповідно рухливості власних і домішкових катіонів і

аніонів.

При наявності в РК тільки дисоціюючих домішок (підрозділ 2.2.) опромінення, збільшуючи концентрацію основних іонів, в той же час приводить до зменшення концентрації домішкових іонів внаслідок виникнення метастабільних нейтральних комплексів, забезпечуючи тим самим два протилежних по знаку внески в провідність. Додаткова провідність пропорційна квадратному кореню із інтенсивності опромінення. Зменшення домішкових іонів виявляється домінуючим і залежність додаткової провідності від інтенсивності опромінення має мінімум, коли концентрація домішок вище деякого визначеного критичного значення, та рухливість домішкових іонів перевищує рухливість власних іонів.

Для РК, в яких присутні донорні і акцспторні доміїшси (розділ 2.3), електричні властивості визначаються ступенем компенсації РК (співвідношенням концентрацій домішкок донорного та акцепторного типу

Випадок компенсованого РК (концентрації домілшж

Р -Р 6Р/РВ =■=*—£■)•

Р„+Р.

донорного та акцеїпорного типу однакові) являється особливим, оскільки власні іони без опромінення відсутні, і додаткова провідність пропорційна квадратному кореню із інтенсивності опромінення, як і у випадку наявності тільки дисоціюючих домішок. В загальному випадку залежності провідності

від інтенсивності опромінення

ГОІ а

а(е«)(с°1Тр

є характеристикою

10-

8-

інтенсивності опромінення, О- вихід власних іонів) були знайдені за допомогою чисельних розрахунків. Випадок компенсованого РК являється найбільш сприятливим дня виникнення мінімуму і дає найбільш глибокий спад (крива 1 рис.1). При достатньо високих степенях компенсації 8Р / Р0 < 0.2 значення провідності практично співпадають з випадком повної

Компенсації (крива 2 рис.1), якісна відмінність появляється тільки при малих інтенсивностях. Ь зменшенням степені компенсації падіння провідності виявляється

слабшим (крива 3 рис.1), і в випадку чисто донорного (акцепторного) РК (крива 4 рис.1), як зазначалось вище, ніяких особливостей в поведінці провідності не спостерігається. В приведених залежностях кінетичні

12 коефіцієнти для катіонів і аніонів вибирались однакові, розрахунки з різними значеннями не змінюють якісних особливостей цих залежностей.

С

0

Рис.1. Залежності провідності від інтенсивності опромінення при степенях компенсації: 1- 6Р = 0, 2- 5Р = 2,1- 8Р = 5, 1-6Р =8 при \ = 0.5, Р,, =10, цс =0.5, =1 (всі

величини нормовані на р/а)

Оіримані залежності для випадку повної компенсації якісно співпадають з експериментальними результатами, одержаними при опроміненні ефірів

8

холестерину. Наближені кількісні оцінки для величини додаткової провідності ( при реальних значеннях параметрів - а = 10'12 см3/с,р = 105с1, |ЛС = 1(Г9 м2/(Вс), цж=2цс при опроміненні І = 0.іГр/с) дають 5ст = 10~12 См/см, що узгоджується з експериментальними результатами [5,6]. Конкуренція внесків різних процесів в зміну провідності може призводити до незвичайних температурних залежностей додаткової провідності , які також якісно співпадають з отриманими експериментальними залежностями. В вигадку, коли в РК присутні домішки всіх трьох типів, залежність електропровідності від опромінення аналогічна залежності у випадку наявності тільки домішок донорно-акцепторного типу, а дисоціюючі домішки змінюють ефективне значення ступеня компенсації. Слід відзначити, що отримані в розділі 2 результати справедливі не тільки для РК, а також для органічних рідин з малою власного провідністю. .

В третьому розділі розглядається гетерогенна система, яка являє собою колоїдне сферичне включеній (СВ) в нематичному РК з нормальними граничними умовами на його поверхні. Навколо СВ можуть виникнути два типи структур (підрозділ 3.1). При достатньо велихій енергії зчеплення директору 5 вигідно орієнтуватись радіально навколо СВ, тобто утворюється їжак, обмежений петлею з дисклінації сили “-1/2” (рис. 2). При малій енергії зчеплення петля не утворюється, а реалізується слабодеформована структура квадрупольного типу (рис. 3). Завдяки циліндричній симетрії поле директора

Рис.2. Рис.З.

зручно описувати в сферичній системі координат {гДср} з допомогою кута відхилення Р(г,Є) від однорідного стану (пг =с<к(р(г,0)-Є),

п9 =5Іп(Р(г,0)-0),п, =0); далі для спрощення замість р(г,9)

записуватимемо р. Рівноважний розподіл задовольняє мінімуму повної

енергії системи, яка складається з енергії Франка-Озеєна пружних деформацій (використовується "двоконстангае"наближення Кп =К33 =К і враховуються дивергентні доданки) та енергії зчеплення на поверхні СВ, що записана згідно з формулою Рапіт-Популара, причому об’ємний інтеграл в повній енергії визначає рівняння рівноваги:

у2р_ _ап2Р_ = 0 (2)

2г вігі 0

а поверхневі доданки дають змогу записати відповідні граничні умови.

Якщо енергія взаємодії поверхні СВ з нематиком достатньо мала (підрозділ 3.2), то кут відхилення директора від однорідного розподілу р знаходиться аналітично як розв’язок лінеаризованого рівняння рівноваги і виявляєтья прямо пропорційний параметру зчеплення \УЯ / к :

_ ТО (БіУ . „ ...

В =------------ — яп 20 , (3)

р 4К(і+ки)и;

тут И - радіус СВ. Показано, що врахування "дивергентного" (к„) доданку та різних значень об’ємних констант (*К„) дещо модифікує цей розв’язок, але для невеликих значень константа к13 та будь-яких значень об’ємних констант ця модифікація виявляється незначною.

Слід відзначити, що такий підхід справедливий, якщо параметри

системи задовольняють умові ~“£г-<< 1 > тобто наприклад при Чґі НГ* ерг/см2

та КиЮ-* ерг/см такий розрахунок може бути використаний для СВ з радіусами в області Я < 0.4 мм.

У випадку жорсткого зчеплення (підрозділ 3.3) на поверхні СВ навколо нього неминуче виникає петля з дисклінації сили ”-1/2”. Приблизний розподіл поля директора навколо СВ можна описати кутом відхилення від однорідного розподілу

р^агЧйЧагсі8(£?]"іагЧ£гі)=

(4)

= Є-Іагсс

2 \ бш(2Є) )

де перший рядок виразу записаний в циліндричних координатах {р,<р,г} і

явно показує внески дефектів, а радіус петлі з дисклінації а визначається

мінімізацією енергії системи. Проте такий підхід являється оціночним, а не

точним [7], оскільки не дає правильної поведінки на великих віддалях від

включення. Для того, щоб правильно описати як кутову, так і радіальну залежність поля директора, пробна функція (4) була модифікована наступним чином

p.e-larcctgii^^26)-], (5)

у 2 6{ sin(20) у w

де новий параметр - функція f(r) - повинен задовольняти умовам: f(R) = 0 та 1 /f(oo) = 0 (р = 0 на поверхні СВ та р = 0 далеко від включення). Рівноважні значення f(r) знаходяться варіаційним методом з урахуванням рухливості границь шару, що містить кор з дисклінаціП (рис.2), а рівноважний радіус петлі з дисклінації а* знаходиться з умови f = 1. Слід зазначити, що перехід від функції двох аргументів р до пробної функції (5), в якій залежність від куга 0 задана, а варіаційним параметром залишається тільки функція радіусу f(r), взагалі кажучи, може звужувати клас можливих розв’язків. Проте співавторами роботи [8] в Кавендішській лабораторії було чисельно розв’язано рівняння (2) методом молекулярної динаміки, і, згідно з (5), були розраховані відповідні залежності f(r) для різних параметрів системи; ці залежності практично співпадають з аналогічними залежностями, отриманими в

дисертаційній роботі варіаційним методом.

Це дає змогу стверджувати, що залежність від куга 9 в

(5) врахована

правильно і вся залежність від

параметрів системи дійсно враховується в функції f(r).

Параметрами системи, що визначають

рівноважний розподіл поля директора, є радіус включення R, радіус кору R е та

деяка ефективна

енергія кору 2, яка включає власне енергію кора, дивергентні доданки, пружну енергію шару, що вирізається, за виключенням області власне кора.

Рис.4 Залежність радіусу петлі від лінійної енергії петлі при значеннях радіусу кору.

1 - R,/R = 0.0002 , 2-R,/R = 0.001 ,3-R,/R = 0.05

Проте виявляється зручним ведення параметру Г0 - лінійної густшш енергії кору, який включає і ту частину пружної енергії системи, що безпосередньо

_ т> .

зумовлена наявністю петлі, в вигляді =2-—In — • Цей “комбінований

0 4 R

параметр Е0 майже повністю визначає залежність рівноважного розв’язку від

параметрів кору: криві 1-3 на рисунку 4, що відповідають різним радіусам кору Rc/R, практично співпадають. З цього ж рисунку видно, що в

. . ~ R, . „ . .

широкому інтервалі значень та рівноважний радіус петлі з

дисклінації міняється досить слабо, так що можна вважати а* и 1.2R.

В четвертому розділі варіаційним методом розраховано розподіл поля директора навколо СВ для скінченних значень енергії зчеплення на його поверхні та розглянуті можливості переходу між двома типами структур як при зміні параметру зчеплення, так і при зміні зовнішніх умов. Опис поля директора з допомогою кута відхилення директора від однорідного розподілу у вигляді (5) зручний при розгляді не тільки структури з дефектом, але і бездефектної структури, якій умовно можна співставити структуру з петлею, що лежить лежить всередині СВ. Такий підхід дозволяє описати бездефектну структуру навколо СВ без наближення слабкого зчеплення.

Для структури з дисклінаційною петлею параметрами, що визначатимуть рівноважний розподіл поля, є параметри кора - ефективне значення енергії та радіус, які визначають лінійну енергію петлі І0, та значення параметру зчеплення w = WR/K на поверхні. СВ. Залежності рівноважного радіусу петлі з дисклінації від параметру w для різних значень (б, 7 і 8 в одиницях KR відповідно) приведені на рисунку 5 (криві 2-4). Якщо реалізується бездефектна структура, то значення варіаційної функції f на поверхні СВ визначається значенням параметру зчеплення w ( f >1). Слід зазначити, що формально кожній структурі можна співставити деякий радіус петлі, що лежкп. зсередини СВ і знаходиться з умови f =1. Таким чином розраховуються бездефектні структури, що не можуть бути описані аналітично (в наближенні слабкого зчеплення). Залежності радіусу умовної петлі з дисклінації від параметру w приведені на рисунку 5, крива 1. З цього ж рисунку видно, що для великого інтервалу значень параметру зчеплення w можуть реалізовуватись обидві структури.

Рис.5. Радіус петлі від параметру Рис. 6. Повна вільна енергія від

зчеплення: 1 - бездефектна структура; 2, параметру зчеплення: 1 - бездефектна

З, 4 - петля з дисклінації зовні СВ при структура; 2, З, 4 - петля з дисклінації

різних (6. 7 та 8 відповідно). зовні СВ при різних Т.0 (6. 7 та 8).

Самі екстремальні значення повної вільної енергії її можна знайти чисельним інтегруванням для кожного значення \у на поверхні СВ. На рисунку 6 приведені залежності повної вільної енергії від параметру зчеплення \у . Видно, що при великих заченнях параметру лу релаізується структура з дефектом (криві 2-4). При.зменшенні , коли його значення досягне деякої критичної величини \У *, енергетично вигідною стає бездефектна структура. Горизонтальні криві на рисунку 5 відповідають критичним значенням зчеплення й *, при яких відбуваються переходи між двома типами структур. При \у » \у * петля з дисклінації лежить ззовні СВ на віддалі а* »1.211 від нього. Зі зменшенням V/ радіус петлі поступово зменшуватиметеся, поки значення параметру зчеплення не досягне критичної величини \У = \У * - тоді петля зникає і реалізується бездефектна структура. Ввдно, що зміна радіусу петлі (тобто зміна розподілу поля) при зміні \у * відбувається скачком, тобто є орієнтаційним переходом першого роду. Зміна самого параметру \у * може бути зумовлена як зміною температури (V/ та К мають різні температурні залежності), так і, можливо, хімічною модифікацією поверхні СВ. Показано, що значення критичного параметру V/ * зростають з ростом значень К24.

В підрозділі 4.2 розглядається можливість структурних переходів під опроміненням та в зовнішньому електричному полі. Основним каналом впливу опромінення на РК, ж і на інші рідини, є іонізація (підрозділ 4.2.2). Густина вибитих електронів з нематика та включень може бути різна за рахунок різниці коефіцієнтів поглинання, що може призводити до просторового перерозподілу зарядів. В роботі запропонована модель, згідно якої вплив опромінення на систему нематик-СВ приводить до появи деякого ефективного додатнього заряду <3 у включення, величина якого визначається густиною потоку 7 -квантів Ч' та різницею коефіцієнтів поглинання (ц^та ц - лінійні коефіцієнт поглинання для СВ і РК відповідно).

Електричне поле наведеного заряду намагатиметься переорієнтовувати поле директора нематика в радіальному напрямку для нематиків з додатною анізотропією діелектричної проникності є, > 0. Це може призвести до появи

петлі з дисклінації, якщо виграш в електростатичній енергії нової структури компенсуватиме пружну енергію, затрачену на утворення складної структури з дефектом. Порогове значення величини наведеного заряду, який може ініціювати виникнення петлі з дисклінації, відповідає пороговій інтенсивності

. 5скЕг

опромінення V -квантами з енергією Е_ визначається як І »-------------—г

ХО^св-йЖ

тут Я -радіус включення, <х- провідність нематика, - коефіцієнт

перетворення, що характеризує ймовірність процесу, вибивання електрону поглинутим у-квантом. Проте оцінки показують досить високі значення необхідної для відповідного переходу інтенсивності =10“ у -кваіггів/(см2с), що дає змогу очікувати стійку роботу відповідних індикаторів при не дуже високих інтенсивностях опромінення.

Якщо опромінення може ініціювати виникнення структури з дефектом, то прикладання зовнішнього електричного поля з напруженістю Е0, направленого вздовж осі переважної орієнтації поля директора, для нематиків

з додатною анізотропією діелектричної проникності приводить до зглажування деформацій (підрозділ 4.2.3). Порогова величина напруженості поля, яка спричинятиме зникнення дисклінаційної петлі, тим самим, очевидно, спричиняючи просвітлення системи, виявляється обернено пропорційною радіусу включення і згідно з оцінками, для мікронних включень наближено становить 1.5кВ/см. Розглянутий механізм впливу електричного поля на структуру поля директора дозволяє запропонувати один

з можливих варіантів механізму дії електрично керованого світлорозсіяння в таких системах.

1. Електропровідність РК під опроміненням суттєво залежить від механізму утворення домішкових іонів; для дисоціюючих, донорних та акцепторних домішок особливості залежності провідності від інтенсивності опромінення, особливо при малих інтенсивностях, визначається співвідношеннями кінетичних коефіцієнтів відповідних процесів. При наявності в РК тільки дисоціюючих домішок радіаційно-індуковані власні іони при взаємодії з домішковими іонами протилежних знаків можуть створювати нейтральні метастабільні продукти радіолізу - комплекси. Зменшення домішкових іонів виявляється домінуючим і залежність додаткової провідності від інтенсивності опромінення для деяких речовин може мати мінімум, коли концентрація домішок вище деякого критичного значення і рухливість домішкових іонів перевищує рухливість власних іонів.

2. При наявності в РК домішок донорно-акцеїтгорного типу електричні властивості визначаються ступенем компенсації РК (співвідношенням концентрацій домішкок донорного та акцепторного типу). Випадок компенсованого РК (концентрації домішкок донорного та акцепторного типу однакові) є найбільш сприятливим для виникнення мінімуму і дає найбільш глибокий спад, із зменшенням ступеня компенсації падіння провідності виявляється слабшим і в випадку чисто донорного (акцепторного) РК ніяких особливостей в поведінці провідності не спостерігається.

3. Навколо колоїдного сферичного включення з нормальними граничними умовами на його поверхні в нематичному РК можливе виникнення двох структур в залежності від значення параметру зчеплення та інших параметрів системи: бездефектної структури та складної структури з дефектом - петлею з дисклінації сили ”-1/2”. При слабкому зчепленні на поверхні включення навколо нього реалізується слабодеформована структура квадрупольного типу, яка розрахована аналітично як розв’язок лінеаризованого рівняння рівноваги. Кут відхилення поля директора від однорідного розподілу прямо пропорційний параметру зчеплення; деформації затухають при віддаленні від включення як р = г'3.

4. У випадку жорсткого зчеплення на поверхні СВ навколо нього неминуче виникає петля з дисклінації сили ”-1/2”. Кут відхилення поля директора від однорідного розподілу знаходиться варіаційним методом з допомогою деякої пробної функції. В широкому інтервалі значень лінійної

енергії петлі Е0 та радіусу кора петлі ■?-£- рівноважний радіус петлі з

R

дисклінації а * міняється досить слабо, так що можна вважати а* я 1.2R.

5. Розподіл поля директор навколо СВ для скінченої енергії зчеплення на його поверхні визначається значенням параметру зчеплення. Знайдеш критичні значення параметрів зчеплення w *, при яких відбувається перехід між структурою з дефектом та бездефектною структурою, для різних значень лінійної енергії петлі з дисклінації £0. Показано, що перехід відбувається скачком і є орієнтаційним переходом першого роду.

6. Проаналізовано вплив зовнішніх умов - опромінення та зовнішнього електричного поля - на структури та структурні переходи в системі нематик-СВ. Показано, що для нематиків з додатньою анізотропією діелектричної проникності опромінення може ініціювати структурний перехід від слабодеформованої структури до структури з дефектом. І навпаки, прикладання зовнішнього електричного поля, направленого вздовж осі переважної орієнтації поля директора, приводить до зглажування деформацій, тобто зовнішнє поле може ініціювати перехід від структури з дефектом до слабодеформованої структури.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах

1. О.В. Куксенок, В.И. Сугаков, С.В. Шияновский. О механизме

отрицательного воздействия ионизирующего излучения на

электропроводность мезогенных жидкостей II Физика Жидк. Сост. -1992.-Т.20 -С.49-54.

2. О.В. Куксенок, В.И. Сугаков, С.В. Шияновский. О механизме

отрицательного воздействия ионизирующего облучения на

электропроводность жидких кристаллов// Укр. Фіз. Журн. - 1992.-Т.37, №4. - С.589-594.

3. О.В. Куксенок, В.Й. Сугаков, С.В. Шияновський. Електропровідність

рідких кристалів з донорно-акцепторними домішками під

опроміненням//Укр. Фіз. Журн-1994. -Т.39, №6. -С.692-695.

4. О.В. Куксенок, В.Й. Сугаков, С.В. Шияновський. Електропровідність рідких кристалів під опроміненням// Матеріали міжнародної школи-конференції “Електронні процеси в органічних матеріалах”. - Київ. -1995.-С.19.

5. О.В. Куксенок, С.В. Шияновський. Вивчення структур в гетерогенних рідкокристалічних системах// Матеріали щорічної наукової конференції Інституту ядерних досліджень НАНУ. - Київ. -1995. -С. 108-111.

6. О.В.Куксенок, С.В.Шияновський. Дослідження структур в гетерогенній системі - нематичний рідкий кристал з сферичними включеннями// Укр. Фіз. Журн. - 1996,- Т.41,№1. - С.190-195.

7. S. V.Shiyanovskii, 'О. V.Kuksenok. Study of structures in filled nematics with spherical particles// SPIE.- 1996.-Vol.2795.-P.121-125.

8. O. V.Kuksenok, R.W.Ruhwandl, S. V.Shiyanovskii and E.M.Terentjev.

Director structure around a colloid particle in a nematic liquid crystal// Phys. Rev. E. - 1996. - Vol.54.-P.5198-5207.

9. S. V.Shiyanovskii, O.V. Kuksenok, R.W. Ruhwandl, E.M.Terentjev. Topological defects in a nematic filled with colloid particles. - SPIE.-1997(Jan).- p.33-38.

10. O.V.Kuksenok, RW.Ruhwandl, S.V.Shiyanovskii and E.M.Terentjev.

Topological defects in a nematic filled with colloid particles. - Abstracts of 16th International Liquid Crystal Conference, Kent, USA, 1996, P-8.

Література, що цитувалась

1. J.W.Doane,N.Vaz, B-G.Wu, S.Zumer. Filled controled light scattering from nematic microdroplets// Appl.Phys.Lett.-1986.-Vol.48.-P.269-271.

2. R.Eidenschink, .W.H.de Jeu. Static scattering in filled nematic: new liquid crystal display technique// Electronics Letters.-1991.- Vol.27, №13.-P.1195-96.

3. G.Ya.Guba, Yu.Reznikov, N.Lopukhovich, V.Odenko, V.Reshetnyak,

O.Yaroshchuk and A.V.Glushchenco. Influence of the aerosil surface

modification on electro-optical characteristics of filled liquid crystals// Mol. Cryst. Liq. Ciyst.-1995.-Vol.251.-P. 111-118.

4. Линев B.A., Сугаков В.И., Шияновский C.B. Радиационные эффекты в жидких кристаллах.// Укр.Физ.Журн.-1991.-т.36, №1-С.62-73.

5. Бабаев А.С., Шухиев С., Сабуров Б.С., Стафеев В.И. Влияние

рентгеновского излучения на электропроводность жидких кристаллов// Журн. Физ. Хим., 1983. т.56. №б, С.1797.

6. Шухиев С., Сабуров Б.С., Рюмцев Е.И. О механизме дополнительной электропроводности термотропных жидких кристаллов под действием рентгеновского излучения// ДАН Тадж.ССР- 1988.-т31, №6. -С.381-384.

7. S. V.Shiyanovskii, О. V.Kuksenok. Study of structures in filled nematics with spherical particles// SPIE.- 1996.-Vol.2795.-P.121-125.

8. O.V.Kuksenok, R.W.Ruhwandl, S.V.Shiyanovskii and E.M.Terentjev Director

structure around a colloid particle in a nematic liquid crystal// Phys. Rev. E . - 1996. - Vol.54.-P.5198-5207.

Kuksenok O.V. Radiation effects and structure of complex defects in the liquid crystals.

Thesis for a Physics and Mathematics candidate's degree on the speciality 01.04.15 - Molecular and Liquid Crystal Physics, Institute of Physics, National Academy of Science, Ukraine, Kyiv, 1997.

The model of conductivity of liquid crystals with differend kinds of impurities, that takes into account interaction of radiation-induced intrinsic ions and impurity ions, is suggested and studied. This model allows to explain experimental results.

Two types of director field structures realized in heterogenic liguid crystal system - colloid spherical particle with normal ancoring on its surface suspended in nematic - are theoreticaly investigated. The conditions for transition between possible structures with the change of system parameters including effects of irradiation and applied electric field are obtained.

Куксенок Ольга Викторовна. Радиационные эффекты и структура сложных дефектов в жидких кристаллах.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.15 - физика молекулярных и жидких кристаллов. Институт Физики НАН Украины, Киев, 1997.

В работе предложена и рассчитана модель электропроводности облучаемых жидких кристаллов с различными типами примесей, учитывающая взаимодействие радиационно-индуцированных собственных и примесных ионов и позволяющая объяснить соответствующие экспериментальные результаты.

Проведен теоретический рассчет двух типов структур поля директора, возникающих в гетерогенной жидкокристаллической системе - сферическое включение с нормально ориентирующей поверхностью в нематике. Получены условия переходов между возможными типами структур при изменении параметров системы, в том числе при облучеии и приложении внешнего электрического поля.

Ключові слова: рідкий кристал, електропровідність, опромінення, структура поля директора, сферичне колоїдне включення.