Резонансный электроклинный эффект в сегнетоэлектрическом жидком кристалле в планарной ячейке с подвижной верхней границей. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОНЦЕРН “ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ”

в ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

сз

сз

СЧІ

Півненко Михайло Миколайович

і

УДК 537.226.4:532.783

РЕЗОНАНСНИЙ ЕЛЕКТРОКЛИННИЙ ЕФЕКТ $ СЕГНЕТОЕЛЕКТРИЧНОМУ РІДКОМУ КРИСТАЛІ Е5 ПЛАНАРНІЙ КОМІРЦІ З РУХОМОЮ ВЕРХНЬОЮ ГРАНИЦЕЮ

Спеціальність 01.04.15 - фізика молекулярних та рідких кристалів

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі сегнетоелектричних рідких кристалів Інституту монокристалів НАН України

Науковий керівник — кандидат фізико-математичних наук,

ФЕДОРЯКО Олександр Петрович, Інститут монокристалів НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти — доктор фізико-математичних наук,

ЛИСЕЦЬКИЙ Лонгін Миколайович,

Інститут монокристалів НАН України, провідний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук, КОВАЛЬЧУК Олександр Васильович,

Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник

Провідна установа — Національний університет

ім. Т.Г. Шевченко, м. Київ, кафедра теоретичної фізики

Захист відбудеться № “ &ЄрЄЗ>/-/&______________________2000 р. о ^ год, на засідаї

Спеціалізованої Вченої ради Д 64.169.01 в Інституті монокристалів НАН України адресою: 61001, м. Харків-001, проспект Леніна, 60.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту монокриста) НАН України.

Автореферат розіслано “ fO “ Q______2000 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої ради Д 64.169.01, л „ і л „

кандидат технічних наук трощенко .

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертаційної роботи. Відкриттям сегнетоелектричних властивостей в хіральному смектичному рідкому кристалі було започатковано дослідження та застосування нового класу матеріалів — сегнетоелектричних рідких кристалів (СРК). Завдяки їх діелектричним властивостям та великій рухомості молекул, СРК дуже чутливі до електричного та магнітного поля і саме ця їх властивість у сполученні з оптичною анізотропією привели до їх широкого використання в пристроях відображення інформації.

Дослідження СРК і сьогодні залишається дуже перспективною частиною фізики га хімії рідких кристалів. Головною причиною цього прогресу є їх широке іастосування в пристроях, що засновані на електрооптичному ефекті Кларка-Іагервола, яке стало можливим після відкриття явища поверхневої стабілізації в сомірках з обмеженим об’ємом. Як наслідок, були розроблені пристрої з часом шектрооптичного перемикання у мікросекундному діапазоні. Зменшення часів працьовування в електрооптичному ефекті від мілісекунд до мікросекунд дозволило озглядати рідкокристалічні матеріали, що до того часу успішно застосовувалися агалом тільки в дисплеях, також як перспективні для систем оптичної обробки іформації.

Електрооптичні ефекти та пристрої з підвищеною швидкодією на їх основі, езперечно, не вичерпують усі потенційні можливості застосування цього йікального типу матеріалів. Подальше вивчення фізики СРК, виявлення та э слідження раніше невідомих ефектів та шляхів їх використання сьогодні сладають актуальну задачу. Серед перспективних напрямків дослідження СРК — іектромеханічний ефект та резонансний відгук СРК на імпульсну дію електричного >ля, детальне дослідження яких має як фундаментальне, так і прикладне значення.

На початку цієї роботи в літературі було зібрано деяку інформацію про 'слідження резонансної поведінки СРК, але багато аспектів, що стосуються зонансного відгуку СРК в умовах обмеженого об’єму та механізми збудження зонансу потребують більш глибокого вивчення. Це обумовлює необхідність гбічного та систематичного дослідження коливальних процесів в СРК у змінному імпульсному електричному полі з врахуванням сил поверхневої взаємодії.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є скла-юю частиною планових досліджень у галузі вивчення зв’язків між молекулярною бу-іою компонентів та макроскопічними характеристиками рідкокристалічних систем, що іводяться в Інституті монокристалів в межах теми Національної Академії Наук Украї-“Дослідження закономірностей впливу молекулярної будови компонентів на надмо-улярну структуру та макроскопічні параметри смектичних рідких кристалів з ферро-ктричними властивостями і систем з TGB фазами” (номер держреєстрації: 6U012151, термін виконання 1996-1999 p.p.).

Мета роботи — встановлення зв’язку резонансного електроклинного ефекту в сегнетоелектричному рідкому кристалі з граничними умовами та дослідження фізичних закономірностей резонансного ефекту. Для досягнення цієї мети треба було розв’язати ряд конкретних завдань:

- Встановлення умов виникнення резонансного відгуку СРК на імпульсну дію (різка зміна напруженості електричного поля).

- Дослідження залежності інтенсивності, частоти та добротності резонансів від температури, напруженості електричного поля та механічних напруженостей в текстурі СРК.

- Вимірювання сталої електромеханічного зв’язку в прямому та зворотньому електромеханічному ефектах в резонансних умовах.

- Визначення впливу резонансних умов на час переполяризації в ефекті Кларка-Лагервола.

Експериментальні методи дослідження. При дослідженні сегнетоелектричних параметрів матеріалів були використані стандартні електрооптичні методики. Конструкції експериментальних установок розроблялись з врахуванням резонансних особливостей планарної комірки з рухомою верхньою пластиною. Для обробки експериментальних результатів використовувались методи нелінійної апроксимації за допомогою комп’ютерного аналізу; оцінка достовірності результатів проводилась з використанням статистичного розподілу Ст’юдента для малих вибірок.

Наукова новизна роботи. Наукова новизна визначена оригінальними результатами, які одержано вперше:

- Виявлено ефект коливань величини коефіцієнту двозаломлення при імпульснії дії електричного поля на СРК;

- Виявлено існування резонансу текстури СРК та встановлено умови йогс збудження;

- Досліджено взаємодію резонансу текстури СРК та механічних резонансі] комірки. Встановлено існування ефекту синхронізації;

- Запропоновано модель резонансного відгуку в межах феноменологічної теорі Ландау-Де Жена;

- Виявлений та досліджений вплив механічної напруги на текстуру СРК та і резонансні властивості;

- Показано, що в резонансних умовах стала електромеханічного зв’язк збільшується на порядок, а час переполяризації в ефекті Кларка-Лагервол зменшується вдвічі.

Практичне значення одержаних результатів обумовлюється перспективністі застосування рідкокристалічних матеріалів в оптоелектронній техніці та інформації них технологіях. Здобуті закономірності резонансної взаємодії СРК з електрични полем в умовах обмеженого об'єму можуть бути використані для розширення ме>

іикористання цих матеріалів. Результати роботи є базовими для розробки іезонаторів, електромеханічних перетворювачів та датчиків.

Особистий внесок автора в одержаних наукових результатах полягає в участі в гастановці задачі; розробці методу дослідження резонансного відгуку сег-етоелектричного рідкого кристалу на електричний імпульс [1,3,5,8,10,12,13]; творенні експериментальної установки для вимірювання характеристик резонансу :РК [4,5,9,11,14]; в постановці та проведенні експерименту по дослідженню впливу езонансних умов на електромеханічний ефект та час переполяризації СРК [2,17]; роведенні математичної обробки та фізичного аналізу здобутих результатів ксперименту [1 - 7,15]; створенні моделі резонансного відгуку СРК в умовах об-еженого об’єму [16]; узагальненні отриманих результатів; участі в формулюванні исновків та обгрунтувань.

Публікації та апробація роботи. За темою дисертації опубліковано 17 робіт, з их 5 статей в іноземних та вітчизняних журналах. Основні результати роботи оповідались і обговорювались на таких наукових конференціях: IV та V вропейських конференціях з рідких кристалів (Польща, Закопане, 1997 р. та Греція, ерсонесос, 1999 p.), VII Міжнародній конференції "Нелінійна оптика рідких та оторефрактивних кристалів" (Україна, Партеніт, 1997 p.), VI та VII Міжнародних жференціях з сегнетоелектричних рідких кристалів (Франція, Брест, 1997 р. та імеччина, Дармштат, 1999 p.), XVII Міжнародній конференції з рідких кристалів Франція, Страсбург, 1998 p.), VI Міжнародній конференції "Pattern Formation in iquid Crystals" (Німеччина, Байреут, 1999 p.), XIII Конференції з рідких кристалів Іольща, Криниця, 1999 p.), VII Міжнародному симпозіумі "Передові дисплейні хнології" (Україна, Новий Світ, 1999 р.)

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, існовків, списку цитованої літератури із 122 найменувань. Загальний об’єм складає ’,6 сторінок, в тому числі 41 рисунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, проаналізований часний стан проблеми, сформульована мета та основні завдання проведених укових досліджень, приведено основні наукові та практичні результати роботи, дано інформацію про апробацію та публікації результатів, наведена загальна рактеристика дисертації.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому розглянуто опубліковані зультати досліджень структури та динаміки СРК з врахуванням сил поверхневої іємодії. Описано особливості структури шевронів та її вплив на появу резонанс-го відгуку в електроклинному та електромеханічному ефектах. З проведеного ілізу виходить, що резонансний відгук багаторазово проявлявся при дослідженнях

різних характеристик СРК. Але він розглядався як деякий заважаючий фактор що д конкретної мети. Пропонувалися також методи усунення резонансного відгуку. Я правило, резонансним ефектам не приділялось необхідної уваги, а зроблений небагатьох випадках аналіз був проведений не досить коректно. Досліджено лиш деякі резонанси, пов’язані з в’язкою течією, але недостатньо уваги приділялос можливому внеску в резонансні явища пружних властивостей смектичних шарів.

Разом з цим, як показали наступні дослідження, були виявлені низькочастотг резонанси СРК, що не пов’язані із зворотньою течією і що можуть бути безумовн цікавими для більш глибокого розуміння структури та динаміки СРК в змінном електричному полі. Крім того, використання резонансних властивостей СРК дозволит розширити функціональні можливості їх застосування.

Все це вказує на необхідність подальшого дослідження резонансних явищ структурі СРК та їх зв’язку з відомими механічними резонансами, умов виникненн резонансного відгуку та впливу резонансної поведінки СРК на практично важлиі процеси електрооптичного перемикання.

У другому розділі обгрунтовано вибір матеріалів та експериментальних методі дослідження. Для дослідження вибрано як індивідуальні сегнетоелектрики, що мают різні послідовності фазових станів та різні типи фазових переходів, так і СРІ композиції, що складаються з оптично неактивної матриці з SmC фазою, та полярно хіральної домішки, що індукує в цій матриці гелікоїдальну структуру т сегнетоелектричні властивості. Створення сумішей з різним процентним вмістом ЦК компонентів дозволяє отримувати СРК композиції з різними значеннями таки: параметрів як крок гелікоїду, смектичний нахил, спонтанна поляризація т обертальна в’язкість, що можуть мати вплив на резонансні властивості СРК. Описані основні характеристики вибраних матеріалів та сумішей, методики приготуванню рідкокристалічних зразків для досліджень. Наведено такі їх характеристики як фазові діаграми, температурні залежності смектичного кута нахилу, спонтанно поляризації, обертальної в’язкості та електропровідності. Наведено особливосі вимірювальної комірки та методика будування однорідної текстури СРК. Описані методи математичної обробки експериментальних даних, що застосовувались.

Третій розділ присвячений дослідженню резонансної поведінки СРК прі імпульсній дії електричного поля. Запропонована модель, що показує принципов; можливість резонансного відгуку в СРК при збуренні, яке пов’язане з деформаціє« смектичного шару. Розглянуто механізм збудження резонансних коливань при змін напруженості електричного поля. Встановлено, що коливання наведени: електричних зарядів, які раніше спостерігалися в комірках СРК, механічні вібраці пластин комірки та коливання оптичної густини комірки, що вперше відкриті в ціі роботі, є макроскопічним проявом єдиного резонансного процесу — коливані директора СРК. Встановлено існування резонансу текстури СРК та досліджен

іалежності його частоти та інтенсивності від температури та напруженості лектричного поля. Виявлений ефект взаємодії резонансу текстури СРК з іеханічними резонансами комірки, що приводить до синхронізації цих резонансів.

Використана проста модель структури шевронів, що припускає повну відсутність гискуванності рідкокристалічного матеріалу, а також той факт, що на поверхні СРК омірки в результаті поверхневої взаємодії підтримується впорядкування, що є арактерним для SmA фази (молекули СРК перпендикулярні смектичному шару), ри всіх температурах, як це було показано експериментально [18]. Використання ікої моделі дозволило нам якісно показати динаміку зсуву однієї з обкладинок змірки та вплив такого зсуву на структуру шевронів.

Структура шевронів обумовлюється балансом двох протидіючих сил. Одна з них пшикана відхиленням кута смектичного нахилу 0 від його рівноважної величини у льному просторі, а інша — є пружна сила, що обумовлена деформацією поля іректора. Для малих величин кута нахилу енергія (на одиницю поверхні), що дноситься до першої сили, може бути записана у вигляді розкладу Ландау-де Жена ) парним ступеням 0. Параметр, що описує повний зсув між двома поверхнями імірки, введений так, що відносний зсув між пластинами комірки повністю та інозначно визначається кутом 9.

При 0 = 0, тобто в SmA фазі та в точці фазового переходу в SmC фазу, структура кшелф є стабільною та відповідає мінімуму вільної енергії системи у відношенні і змін величини зсуву. Горизонтальний зсув верхньої пластини комірки приводить і збільшення вільної енергії та неперервному перетворюванню структури букшелф структуру з похилими смектичними шарами. Нахил шарів в комірці приводить до яви ненульового смектичного кута нахилу Є, що обумовлено необхідністю ереження густини смектичних шарів всередині комірки. Тільки приграничні шари І упорядковуючою дією поверхонь залишаються в SmA фазі. Таким чином, в ’ємі комірки з’являється індукована зсувом SmC фаза. Можливість зміни лператури фазового переходу та індукування похилої фази під дією зовнішнього ия, тиску або механічного напруження була помічено ще раніше [19].

Вільна енергія системи в першому наближенні має вигляд квадратичної генціальної ями, мінімум якої відповідає рівноважній букшелф структурі з >тикальним положенням шарів та відсутністю смектичного кута нахилу 0 = 0. /джений стан відповідає деякому коливальному процесу відносно точки рівноваги, їй приводить до механічних коливань рухомої пластини комірки в горизонтальній їщині та коливанням смектичного кута нахилу 0.

Збудження такого коливального процесу можливе за допомогою різних засобів, йбільш простий з них — механічна дія на рухому пластину комірки. Інший засіб імпульсний локальний нагрів СРК матеріалу, що звичайно застосовується при :лідженні піроефекту. Зміна температури приводить до зміни кута 0 в деякій

(звичайно малій) області комірки та розповсюдженню кругової хвилі збурення. "! цій роботі ми використовували третій засіб — збудження електричним полем. Я наслідок електроклинного ефекту, постійне електричне поле, прикладен перпендикулярно директору СРК, індукує смектичний нахил молекул СРК, величин кута якого 0 лінійно залежить від напруженості електричного поля. При змії стрибком напруженості електричного поля всі молекули СРК здобувают одночасного імпульсного впливу. В цьому перевага збудження електричним полеї над іншими методами. Одночасний та синфазний вплив на молекули СРК по всьом об’єму комірки приводить до максимального макроскопічного ефекту.

При імпульсній зміні напруженості електричного поля в СРК комірі збуджуються коливання директора СРК (змінюється смектичний кут нахилу 0), щ приводить до вібрацій рухомої пластини комірки, коливанням показник двозаломлення та появі осцилюючих наведених зарядів на пластинах комірки. Ці тр макроскопічних коливальних процеси є наслідком одночасних та синхронних коливан директора СРК в усій комірці.

Слід звернути увагу на те, що цей коливальний процес є резонансним, на відмін від відомих релаксаційних процесів. Показано, що резонансний відгук є суперпози цією двох коливальних процесів з затухаючою амплітудою та близькими частотам! що приводить до низькочастотної модуляції амплітуди результуючих коливань -биттям (рис. 1). Відомо, що частота биття обумовлюється різницею частот вихідни складових коливань. Період битгя за час існування коливального процесу змінюєтьс більш ніж у три рази — з 0.4 мс на початку до 1.5 мс наприкінці імпульсу — частот, відповідно, від 2.5 кГц до 0.7 кГц. Це означає, що частота як найменше одного з ци коливань змінюється на 1.8 кГц за час імпульсу, що складає більш ніж ЗО % від середнього значення. Тому цей коливальний процес не може бути віднесений д механічного резонансу комірки, частота якого обумовлюється геометричним розмірами останньої та її пружними властивостями і не може дуже змінюватися з короткий час. Ми вважаємо, що спостерігається резонанс текстури СРК.

t, мс

Рис. 1. Коливання наведеного струму в СРК комірці в SmC* фазі.

Частота коливань на початку імпульсу обумовлюється резонансом текстури СРК, эму що він має більш низьку добротність та завжди збуджується першим. Частота оливань в конці імпульсу обумовлюється тільки частотою механічного резонансу — гзонанс текстури СРК до того часу повністю згасає. На рис. 2 показані залежності їстоти коливань на початку та в кінці імпульсу від температури та напруженості іектричного поля. Чітко видно, що частота резонансу текстури СРК (лінія) ззперервно змінюється із зміною температури та напруженості електричного поля, частота механічного резонансу комірки (точки) приймає ряд дискретних значень.

Рис. 2. Залежність частоти резонансу текстури СРК (неперервна лінія) та ¡ханічного резонансу комірки (точки) від температури (а) та напруженості ектричного поля (б).

При взаємодії резонансів виникають явища затягування частоти та синхронізації, зи цьому частота резонансу текстури, який має меншу добротність та більш ильного до змін, зсувається в бік високодобротного механічного резонансу. При льній взаємодії та невеликій різниці частот ми спостерігали зближення частот до вного збігу — ефект синхронізації.

Зміна спектру механічних резонансів при зміні температури проходить шляхом рерозподілу енергії між спектральними складовими, а їх частоти лишаються імінними. Резонанс текстури СРК, частота якого швидко знижується із еншенням температури в околі фазового переходу, послідовно збуджує всі ханічні резонанси комірки в діапазоні от 20 до 2 кГц.

Четвертий розділ присвячений умовам виникнення резонансної поведінки СРК. зглянуто моясливий зв’язок резонансних коливань директора СРК з критичними зедперехідними флуктуаціями параметра порядку в околі фазового переходу ►того роду. Встановлено, що визначаючий вплив на появу текстури шевронів та енсивність резонансного відгуку має механічне напруження в структурі СРК. грунтована необхідність побудови високоякісної однорідної текстури СРК та сористання комірки з рухомими пластинами для ефективного збудження онансу.

Теоретично показано, що перша мода збурення, що відповідає структурі похили смектичних шарів, стає нестійкою при 0(|) = 0.42°. Для температур вище Т01 = ТАС

0.015 °С зсув верхньої пластини комірки приводить до появи механічног напруження в структурі похилих смектичних шарів, збільшенню вільної енерг системи та виникненню пружної повертаючої сили, що протидіє такому зсув] Нижче температури Т(1) букшелф структура буде напруженим станом системи та зсу пластини буде зменшувати вільну енергію. Глобальний мінімум вільної енергії буд відповідати структурі похилих смектичних шарів з деяким кутом нахилу 5.

Наступна мода, структура шевронів, втрачає стабільність при 0(2) = 0.84°. При тем пературі нижче І44 = ТАС - 0.055 °С стабільним станом з нульовим зсувом є структ} ра шевронів, а структура букшелф стає нестабільною і відповідає більш високі вільній енергії. При збільшенні зсуву верхньої пластини структура шевронів стає не симетричною, поверхня шеврона із серединної площі зміщується у напрямку до pj хомої пластини комірки. В той момент, коли поверхня шеврона сягає поверхні плас тини, структура шевронів перетворюється в структуру похилих смектичних шарів.

Таке перетворення шевронів в похилі смектичні шари підтверджено нами пр експериментальному дослідженні. Встановлено, що послаблення коливань директор СРК при охолодженні супроводжується появою дисклинацій, що характерні дл структури шевронів. Боковий тиск, що прикладений до рухомої пластини коміри приводить до зникнення цих дисклинацій, перетворенню структури шевронів структуру похилих смектичних шарів та відновленню амплітуди коливань.

Із збільшенням тиску амплітуда коливань директора нелінійно зростає. Максима® но, як наслідок прикладеного тиску амплітуда може бути збільшена майже на порядої При тиску вище 450 Н/см2 відбувається незворотний зсув верхньої пластини коміри Це викликано розривом зв’язку молекул СРК з поверхнею пластини комірки та привс дить до руйнування однорідної букшелф текстури. Амплітуда коливань різко падає.

При постійному зовнішньому тиску величиною 320 ± 4 Н/см2 температури залежність початкової амплітуди електричного відгуку коливань директора СР1 показана на рис. З (крива 1). Співставлення кривої 1 та кривої 2 (амплітуда коливан при постійному зовнішньому тиску та без тиску) показує, що в SmC* фазі пр температурі більш ніж на 1 °С нижче температури фазового переходу в SmA, бокови тиск є основним фактором появи коливань директора СРК. При слабкому тиску, щ викликаний тільки внутрішніми механічними напруженнями, коливання невелике амплітуди спостерігаються у вузькому температурному інтервалі поблизу фазовог переходу. Температурна залежність амплітуди коливань симетрична відносн температури фазового переходу. Постійний зовнішній тиск величиною порядку 1C Н/см2 приводить до значного збільшення амплітуди коливань та розширенні температурного інтервалу існування коливань в сторону SmC* фази не менше ніж н 15 - 20°С. Навпаки, в SmA фазі вплив бокового тиску незначний.

Рис. З Залежність амплітуди електричного відгуку коливань директора СРК від іператури при постійному зовнішньому тиску величиною 320 ± 4 Н/см2 — 1 та і тиску, що виникає від внутрішніх механічних напружень — 2.

Відомо, що величина коефіцієнта двозаломлення в SmA* фазі безпосередньо азана з середнім квадратом флуктуацій смектичного кута нахилу. Нещодавно були :дставлені результати вимірювань з високим розділенням коефіцієнта двозалом-іня в похилих хіральних смектичних матеріалах, що проявляють фазовий перехід SmA* фази до похилих фаз [20]. Поблизу фазового переходу в SmC* фазу (АТ < 2) спостерігалося критичне зменшення величини коефіцієнта двозаломлення, що ликано передперехідними флуктуаціями смектичного параметра порядку, плітуда цих флуктуацій складала кілька градусів.

В нашому експерименті, завдяки високому орієнтаційному впорядкуванню в юрідній букшелф текстурі, синхронізуючій дії рухомої пластини комірки та ючасному збудженню коливань директора СРК імпульсом електричного поля, ивання (флуктуації) директора СРК стають синхронними та приводять не просто інтегрального (усередненого) зменшення величини коефіцієнта двозаломлення, а її осциляцій на частоті резонансу текстури СРК.

Для прояснення питання про те, який вплив на резонансну моду має тип фазового еходу, нами досліджено ряд сегнетоелектричних сполук та сумішей, що являють різні фазові переходи (І - SmC*, N* - SmC*, SmA* - SmC*) першого і гого роду. Нам не вдалося виявити ніяких ознак резонансного відгуку в таких темах, що не мають фазового переходу SmA* - SmC* другого роду. Було азано, що виникнення резонансної моди викликано критичними перед-ехідними флуктуаціями смектичного параметра порядку (кута нахилу молекул 0 нормалі смектичного шару) як з боку високотемпературної, менш впорядкованої \ фази, так і з боку низькотемпературної, більш впорядкованої SmC* фази в околі

фазового переходу другого роду БшА* - БтС*. Такий висновок є дещо дивним неочікуваним, оскільки передперехідні флуктуації параметра порядку мають міс також в системах з фазовим переходом першого роду, і приводять до критичі поведінки поглинання та швидкості розповсюдження ультразвукових хвиль [2 Однією з можливих причин того, що ми не спостерігали у цьому випад резонансного відгуку СРК, можуть бути труднощі з побудовою високоякісі монодоменної однорідної текстури букшелф для матеріалів, що не мають БшА фа: Для таких матеріалів, що мають фазовий перехід № - БтС*, нам не вдалося здобу досить високоякісний монодомен, як це було зроблено в комірках з речовинами, і мають БшА фазу. А висока однорідність букшелф текстури СРК є важливі фактором для появи резонансного ефекту.

У п’ятому розділі описано дослідження впливу резонансних умов СРК на поведінку в електромеханічному ефекті та електрооптичному перемиканні. Показа: збільшення на порядок ефективності електромеханічного перетворення при умов резонансного відгуку СРК на імпульс електричного поля. Встановлено, що резонансних умовах час електрооптичного перемикання в ефекті Кларка-Лагерово. зменшується майже в два рази.

В роботі вперше експериментально виявлено та досліджено статичні електромеханічний ефект. На відміну від відомого динамічного електромеханічної ефекту (зв’язок між електричним полем та швидкістю потоку), у цьому випаді електромеханічний ефект, що виникає в напрямку, перпендикулярному смектичнк шарам, є статичним (зв’язок між електричним полем та зміщенням), і є аналоге п’єзоефекту в кристалах. Максимум коефіцієнта електромеханічного перетворення точці фазового переходу БтА* — БтС* на температурній залежності (рис. ■ підтверджує його зв’язок з електроклинним ефектом.

т/°с

Рис. 4. Нормована температурна залежність коефіцієнта електромеханічног перетворення СРК в резонансних умовах. Напруженість постійного електричног поля Е = 0.25 В/мкм, частота змінної складової поля — 4.9 кГц.

Оскільки в умовах резонансного відгуку СРК змінюється смектичний кут нахилу було проведено дослідження можливого впливу цього ефекту на процес іеполяризації. Як показав експеримент, в резонансних умовах час переполяризації ва рази менше. При резонансному відгуку СРК зменшення кута 0 приводить до ження обертальної в’язкости у^, що і стає причиною зменшення часу «поляризації. Цей факт може бути використаний в електрооптичних пристроях : зменшення часу перемикання.

ВИСНОВКИ

1. Виявлено, що в СРК комірці з рухомими пластинами при імпульсній зміні іруженості електричного поля збуджуються синхронні коливання напрямку дов-

осей молекул (директора) СРК. Показано, що ці коливання приводять до трьох сроскопічних ефектів: коливанням величини наведеного електричного заряду, коли-ням величини коефіцієнта двозаломлення та механічним вібраціям пластин комірки.

2. Виявлено існування резонансу текстури СРК, характерною ознакою якого, що )ізняє його від відомого раніше механічного резонансу обкладок комірки, є інший актер залежності частоти від температури і напруженості електричного поля. При ні цих параметрів частота механічних резонансів приймає ряд дискретних значень, а гота резонансу текстури СРК змінюється неперервно. Зареєстровано ефект взаємодії . резонансів між собою, який приводить до зміни частоти резонансу текстури СРК та ної синхронізації на найближчому механічному резонансі.

3. Здобуто залежності амплітуди, частоти та добротності резонансу текстури СРК температури та напруженості електричного поля. Розбіжність амплітуди та критичне ження частоти резонансу текстури СРК в точці фазового переходу вказують на зв’язок го резонансу з м’якою модою сегнето електричного фазового переходу. Амплітуда энансних коливань директора СРК лінійно залежить від зміни смектичного кута илу збуджуючим імпульсом. Крутизна цієї залежності збільшується, якщо зміна ¡епічного куга супроводжується зміною напрямку вектора спонтанної поляризації. :ичення досягається при повному розкручуванні гелікоїда.

4. Визначено умови виникнення резонансної поведінки СРК.

а) Показано, що резонансні коливання директора СРК викликані кри-ними передперехідними флуктуаціями смектичного параметра порядку поблизу іетоелектричного фазового переходу другого роду 8шА* ■— БтС* і спостері-іться як в БшА*, так і в БтС* фазі.

б) Виявлено, що послаблення резонансного відгуку в БтС* фазі викликано гашенням структури шевронів. Показано, що за допомогою створення механічного руження структура шевронів може бути перетворена на структуру похилих етичних шарів, що приводить не тільки до відновлення резонансного відгуку, а також і юзширення його температурного діапазону до 15 — 20 градусів у бік БтС* фази.

в) Умовою резонансного відгуку є також однорідна, монодоменна струкг зразка СРК і така конструкція комірки, що дозволяє вільний рух обмежуючих шіас; комірки відносно одна одної і таким чином забезпечує синхронізацію коливань напрян довгих осей усіх молекул зразка СРК.

5. У вказаних вище умовах досліджено прямий та зворотній електромеханічь ефект а також процес переполяризації СРК змінною електричною напругою прямокут форми. Виявлено, що при резонансному відгуку стала електромеханічного зв’я: збільшується на порядок, а електромеханічний ефект в СРК є аналогом п’єзоефект; кристалах. Встановлено зменшення часу переполяризації в ефекті Кларка-Лагервс приблизно в два рази.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано:

1. А.П. Федоряко, М.Н. Пивненко. Е.В. Попова, В.П. Семиноженко Свободи; колебания в сегнетозлектрическом жидком кристалле // Письма в ЖТФ. - 1997 Т.23, №7. - С.80-85.

2. А.Р. Fedoryako, M.N. Pivnenko. E.V. Popova and V.P. Seminozhenko Elect mechanical Effect and Free Oscillations in Ferroelectric Liquid Crystals // Functior Materials. - 1997. - V.4. - No.4. - P.375-378.

3. M.M. Півненко. О.П. Федоряко, В.П. Семиноженко Вільні електромеханіч коливання в сегнетоелектричному рідкому кристалі // УФЖ. - 1997. - Т.42, №1 12. - С.1314-1317.

4. М.Н. Пивненко. А.П. Федоряко, Л.А. Кутуля, В.П. Семиноженко Влиян

упругих напряжений на свободные колебания в сегнетоэлектрических жидкі

кристаллах // Письма в ЖТФ. - 1999. - Т.25, №6. - С.74-80.

5. M.N. Pivnenko. А.Р. Fedoryako, L.A. Kutulya and V.P. Seminozhenko Resonan Phenomena in a Ferroelectric Liquid Crystal Near the Phase Transition SmA — SmC // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1999. - V.328. - P.lll-118.

6. A.P. Fedoryako, M.N. Pivnenko and E.V. Popova Temperature Dependences Oscillation Parameters in Ferroelectric Liquid Crystals / in Liquid Crystals: Physic Technology, and Applications, J. Rutkowska, S.J. Klosowicz, J. Zielinski, J. Zmij Editors//Proceeding of SPIE - 1998. - V.3318.-P.110-113.

7. M.N. Pivnenko. A.P. Fedoryako, E.V. Popova and L.A. Kutulya Resonani

Phenomena in a Ferroelectric Liquid Crystals / in Nonlinear Optics of Liquid ar Photorefractive Crystals, G.V. Klimusheva, A.G. Iljin, Editors // Proceeding of SPI

- 1998.-V.3488. - P.28-34.

8. A.P. Fedoryako, M.N. Pivnenko. E.V. Popova Temperature Dependences (

Oscillation Parameters in Ferroelectric Liquid Crystals // European Conference с Liquid Crystals. Science and Technology, Zakopane, Poland, March 3-8, 199' Abstracts. B-58.

A.P. Fedoryako, M.N. Pivnenko and E.V. Popova Free Electrical Oscillations in Homeotropic Oriented Ferroelectric Liquid Crystal Sample // 6th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals. Brest, France, July 20 - 24, 1997. Program and Abstract Book. P. 258-259.

M.N. Pivnenko. A.P. Fedoryako, L.A. Kutulya and V.P. Seminozhenko Electric Field Dependences of Oscillation Amplitude in Planar Oriented Ferroelectric Liquid Crystal // 6th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals. Brest, France, July 20 - 24,1997. Program and Abstract Book. P.346-347.

M.N. Pivnenko. A.P. Fedoryako, L.A. Kutulya and V.P. Seminozhenko Free Director Oscillations in Ferroelectric Liquid Crystals Under Mechanical Stress // 17th International Liquid Crystal Conference. Strasbourg, France, July 19 - 24, 1998. Program and Abstract Book, P-101.

M.N. Pivnenko. A.P. Fedoryako, L.A. Kutulya and V.P. Seminozhenko Resonance Phenomena in a Ferroelectric Liquid Crystal Near the Phase Transition SmA — SmC* // 17th International Liquid Crystal Conference. Strasbourg, France, July 19 - 24, 1998. Program and Abstract Book, P-107.

M. Pivnenko. A. Fedoryako, M. Kaspar, V. Hamplova, and S. Pakhomov Resonance Mode and Pretransitional Fluctuations Near the SmA — SmC* Phase Transition // European Conference on Liquid Crystals 99. Hersonessos, Greece 1999, Book of Abstracts, PI-043.

M. Pivnenko. A. Fedoryako, and L. Kutulya, Interaction Between the Texture Resonance Mode and Mechanical Resonances in a Ferroelectric Liquid Crystal // European Conference on Liquid Crystals 99. Hersonessos, Greece 1999, Book of Abstracts, PI-049.

M.N. Pivnenko. V.V. Vashchenko, A.S. Petrenko, A.I. Krivoshey, L.A. Kutulya, and J.W. Goodby New lR,4R-menthan-3-one Derivatives as Chiral Components of Induced Ferroelectric Systems // 7th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals. Darmstadt, Germany, August 1999, Summaries, P. 204-205.

M.N. Pivnenko Free Damping Director Oscillations and Resonant Mode Near the SmA — SmC* Phase Transition // International Conference "Pattern Formation in Liquid Crystals", Bayreuth, Germany, September 1999. Book of Abstracts, P 22.

A.P. Fedoryako, M.N. Pivnenko. and V.P. Seminozhenko Second Sound and Resonance Phenomena in Ferroelectric Liquid Crystals // XIII Conference on Liquid Crystals, Krynica Zdroj, Poland, September 1999. Abstract. P. 78.

Список цитованої літератури

Cagnon M. and Durand G. Positional Anchoring of Smectic Liquid Crystals // Phys. Rev. Lett. - 1993. - V.70. - No.18. - P.2742-2745.

Lelidis I., and Durand G. Landau model of electric field induced smectic phases in

thermotropic liquid crystals // J. Phys. II France - 1996. - V.6. - No.10. - P.13 1387.

20. Skarabot M., Kocevar K., Blinc R., Heppke G., and Musevic I. Critical behavio birefringence in the smectic-A phase of chiral smectic liquid crystals // Phys. Rev

- 1999. - V.59. - No.2. - R1323-R1326.

21. Collin D., Moyses S., Neubert M.E., and Martinoty P. Critical Behavior of Soi Damping in the Vicinity of the Smectic-A — Smectic-C Transition in 8S5 // PI Rev. Lett. - 1994. - V.73. - No.7. - P.983-986.

Півненко M.M. Резонансний електроклинний ефект в сегнетоелектричному рідке кристалі в планарній комірці з рухомою верхньою границею. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук спеціальністю 01.04.15 - фізика молекулярних та рідких кристалів. - Інсти монокристалів НАН України, Харків, 1999.

Досліджено електроклинний ефект та процес переполяризації рідкого крист: змінною електричною напругою в резонансних умовах. Виявлено ефект коливг величини коефіцієнту двозаломлення при імпульсній дії на сегнетоелектричи рідкий кристал (СРК) та виявлено існування резонансу текстури СРК, встановлє умови його збудження. Досліджено взаємодію резонансу текстури СРК та механ них резонансів комірки. Встановлено існування ефекту синхронізації. Запропонова модель резонансного відгуку в межах феноменологічної теорії Ландау-Де Жеі Виявлено та досліджено вплив механічної напруги на текстуру СРК та резонані властивості текстури. Показано, що в резонансних умовах стала електромеханічне зв’язку збільшується на порядок, а час переполяризації в ефекті Кларка-Лагерво зменшується вдвічі. Здобуті закономірності резонансної взаємодії СРК з електричн полем в умовах обмеженого об'єму можуть бути використані для розширення м використання цих матеріалів. Результати роботи є базовими для розробки резонатор електромеханічних перетворювачів та датчиків.

Ключові слова: сегнетоелектричний рідкий кристал; електроклинний ефект; рез нансна низькочастотна мода.

Пивненко М.Н. Резонансный электроклинный эффект в сегнетоэлектрическс жидком кристалле в планарной ячейке с подвижной верхней границей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических на; по специальности 01.04.15 - физика молекулярных и жидких кристаллов. - Инстит монокристаллов НАН Украины, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена исследованию резонансного поведения СЖК щ импульсном воздействии электрического поля. Предложена модель, показывающ; принципиальную возможность резонансного отклика в СЖК при возмущении, св>

ном с деформацией смектического слоя. Рассмотрен механизм возбуждения онансных колебаний при изменении напряженности электрического поля, 'ановлено, что наблюдавшиеся ранее электрические колебания в цепи ячейки 'К, механические вибрации пластин ячейки и обнаруженные нами колебания ической плотности ячейки являются макроскопическими проявлениями единого онансного процесса колебаний директора СЖК. Установлено существование онанса текстуры СЖК и исследованы зависимости его частоты и интенсивности температуры и напряженности электрического поля. Обнаружен эффект имодействия резонанса текстуры СЖК с механическими резонансами ячейки [водящий к синхронизации резонансов.

Установлены условия возникновения резонансного поведения СЖК. Рассмотрена можная связь резонансных колебаний директора СЖК с критическими дпереходными флуктуациями параметра порядка вблизи фазового перехода рого рода. Установлено определяющее влияние механического напряжения в уктуре СЖК на возникновение текстуры шевронов и интенсивность резонансного лика. Обоснована необходимость построения высококачественной однородной стуры СЖК и использования ячейки с подвижными пластинами для ¡активного возбуждения резонанса.

Исследовано влияние резонансных условий СЖК на их поведение в ктромеханическом эффекте и электрооптическом переключении. Показано личение на порядок эффективности электромеханического преобразования при дании условий для резонансного отклика СЖК на импульс электрического поля, 'ановлено, что в резонансных условиях время электрооптического переключения [)фекте Кларка-Лагервола удается уменьшить почти в два раза.

Впервые обнаружен эффект колебаний величины коэффициента двулучепрелом-ия при импульсном воздействии на СЖК и существование резонанса текстуры :к, определены условия его возбуждения. Исследовано взаимодействие резонанса стуры СЖК и механических резонансов ячейки. Обнаружен эффект синхрониза-[. Предложена модель резонансного отклика в рамках феноменологической рии Ландау-Де Жена. Впервые обнаружено и исследовано влияние механического ряжения на текстуру СЖК и его резонансные свойства.

Найденные закономерности резонансного взаимодействия СЖК с электрическим ем в условиях ограниченного объема могут быть использованы для расширения асти применения СЖК. Результаты работы являются базовыми для разработки энаторов, электромеханических преобразователей и датчиков.

Ключевые слова: сегнетоэлектрический жидкий кристалл; элекгроклинный эффект, шансная низкочастотная мода.

Pivnenko M.N. Resonant electroclinic effect in a ferroelectric liquid crystal in a planar with the moving high border. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of physical-mathematical sciences by specia 01.04.15 - Physics of Molecular and Liquid Crystals. - Institute for Single Crys National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 1999.

Dynamic properties of ferroelectric liquid crystals (FLC) are studied by means observation of electric, optical and mechanical responses to the step-like change of elec field strength. A low frequency resonant mode that manifests itself as free damp collective director oscillations after the electric field reversal is revealed and investiga near the second order SmA — SmC* phase transition on FLC. These director oscillati result in oscillations of the birefringence, induced polarization current and mechani vibrations of the sample cell plates which are free to move. The resonance frequei exhibits a continuous dependence versus temperature and electric field strength t allowed us to separate this resonance from bending modes of the cell plates. An interact of the FLC resonant mode with these bending modes resulting in the change of frequency and the synchronization of the FLC resonance on the nearest bending mode v observed. It is shown clearly that the origination of the resonant response and the f director oscillations are caused by strong pretransitional fluctuations of the smectic or< parameter in both SmA and SmC* phases near the phase transition and by the presence the shearing mechanical stress directed perpendicularly to the smectic layers in Sm phase in a well aligned uniform bookshelf FLC configuration.

Key words: ferroelectric liquid crystals; electroclinic effect; resonant low-frequen mode.