Самоорганизация и структурное упорядочение в смектических жидких кристаллах и тонких плёнках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Долганов Павел Владимирович

САМООРГАНИЗАЦИЯ И СТРУКТУРНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ В СМЕКТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ И ТОНКИХ ПЛЁНКАХ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Зп

СЕН 2т

005562829

Черноголовка - 2015

005562829

Работа выполнена в Лаборатории спектроскопии молекулярных структур и Лаборатории спектроскопии дефектных структур Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт физики твёрдого тела Российской академии наук

Официальные оппоненты

Аксёнова Елена Валентиновна

доктор физико-математических наук

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Санкт-Петербургский государственный

университет, профессор

Казначеев Анатолий Викторович

доктор физико-математических наук

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт

элементоорганических соединений им А.Н. Несмеянова Российской академии

наук, ведущий научный сотрудник

Пасечник Сергей Вениаминович

доктор физико-математических наук, профессор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники», профессор

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова Российской академии наук

Защита диссертации состоится в М-ЗО «03 }> УОЯ £РЯ 2015 г. на заседании диссертационного совета Д 002.100.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики твердого тела Российской академии наук по адресу: 142432 г. Черноголовка, Московская область, ул. Академика Осипьяна, д. 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке; Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт физики твердого тела РАН и на сайте диссертационного совета по адресу Ы1р://т^л55р.ас.ги/та1п/Ш5-соипсП.111т1

Автореферат разослан « 23 » С6Н I Я ВРЯ 2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 002.100.01 доктор физико-математических наук

В. Н. Зверев

Общая характеристика работы

Жидкие кристаллы в течение длительного времени находятся в фокусе внимания исследователей. Решение актуальных проблем физики конденсированного состояния включало в себя исследования жидких кристаллов. Фундаментальные исследования в области физики жидких кристаллов всегда были непосредственно связаны с практическими применениями, поэтому интерес к полярным смектическим жидким кристаллам связан в том числе с возможностью их практического использования. Жидкие кристаллы образованы анизотропными молекулами и характеризуются ориентационным упорядочением молекул. В последнее десятилетие большой интерес в физике жидких кристаллов вызывают смектические структуры, имеющие в дополнение к ориентационному слоевое упорядочение (рисунок 1). Смектические жидкие кристаллы образуют большое число фаз. Хиральность молекул приводит к появлению электрической поляризации, параллельной плоскости слоя и перпендикулярной плоскости наклона молекул. После обнаружения сегнетоэлектричества в жидких кристаллах был открыт целый ряд сегнетиэлектрических и антисегнето-электрических смектических структур с многослойной периодичностью. Причины существования многообразия полярных структур к началу выполнения работы были поняты не до конца. В работе изучается связь образования различных полярных структур, их температурной последовательности, поведения в электрическом поле с межслоевыми взаимодействиями.

Благодаря слоевой структуре смектические жидкие кристаллы могут образовывать свободно подвешенные плёнки. Свободно подвешенные плёнки обладают целым рядом необычных и уникальных свойств, делающих их интересными объектами для исследований. Плёнки могут быть приготовлены толщиной в несколько молекулярных слоёв, что делает их удобными объектами для изучения трансформации структуры и физических свойств при переходе от объёмных образцов к наноразмерным. Более того, исследования свободно подвешенных плёнок позволяют решать многие вопросы, относящиеся к структуре и фазовым переходам в объёмных образцах. Жидкие кристаллы во многих случаях могут служить модельными объектами для исследований в актуальных направлениях физики конденсированного состояния.

z

/// / /

/ / / / /

Рисунок 1. Слоевая структура смектического жидкого кристалла. В смектических С фазах длинные оси молекул наклонены по отношению к нормали к плоскости слоёв. Ориентация молекул в /-м слое может быть характеризована полярным углом вi и азимутальным углом р,- или двумерным вектором 4/, представляющим собой проекцию направления длинных осей молекул на плоскость слоя. В полярных жидкокристаллических фазах каждый слой обладает электрической поляризацией, перпендикулярной плоскости наклона молекул.

Проекции длинных осей молекул на плоскость слоёв образуют двумерное поле молекулярного упорядочения (так называемое поле с-директора). В поле с-директора могут образовываться различные структуры, точечные топологические, линейные дефекты. Межслоевые взаимодействия могут конкурировать друг с другом, что приводит к фрустрации. С фрустрацией связано образование большого числа полярных фаз, периодической структуры в плоскости плёнок. Если в плёнке находится частица с жёсткими граничными условиями для с-директора (планарными или радиальными), она эквивалентна топологическому дефекту с топологическим зарядом 5=+1. Частица и связанный с ней топологический дефект с зарядом S=-l представляют собой топологический диполь (частица дипольного типа). Частица с двумя дефектами с зарядами S=-l/2 представляет собой топологический квадруполь (частица квадрупольного ти-

па). На больших расстояниях такие частицы взаимодействуют как топологические диполи и квадруполи. Взаимодействие частиц может приводить к их самоорганизации и образованию из них упорядоченных структур. Обнаружение этих эффектов открыло новые направления в исследованиях жидких кристаллов. В данной работе проведены детальные исследования самоорганизации в смектических плёнках, структурного упорядочения в объёмных образцах и тонких плёнках смектических жидких кристаллов.

Цели и задачи работы

Цель работы - исследование самоорганизации и структурного упорядочения в смектических жидких кристаллах и тонких плёнках. Основные задачи исследования можно сформулировать следующим образом:

- Изучение самоорганизации частиц в свободно подвешенных смектических плёнках. Поиск возможностей управления взаимодействием частиц и их самоорганизацией.

-Теоретическое описание структурного упорядочения в многослойных смектических полярных структурах.

- Исследование упорядочения в сверхтонких смектических плёнках, переходов с изменением упорядочения, линейных дефектов. Влияние поверхности и ограниченных размеров на стабильность плёнок, их структуру. Актуальность темы

К началу выполнения диссертационной работы возникло несколько новых актуальных направлений в исследовании жидких кристаллов. В 1997 году был обнаружен новый механизм взаимодействия и самоорганизации частиц в анизотропных жидкокристаллических средах [1]. Взаимодействие связано с деформацией частицами поля молекулярного упорядочения жидкого кристалла и определяется граничными условиями (ориентацией молекул жидкого кристалла) на границе частиц. Топологические дефекты жидкого кристалла играют первостепенную роль во взаимодействии и процессах самоорганизации частиц. Самоорганизация происходит в доступном для человеческого восприятия пространственно-временном масштабе. Частицы могут взаимодействовать на больших расстояниях, самоорганизация происходит с образованием устойчивых структур из частиц. В этих исследованиях можно не только наблюдать процессы самоорганизации, но и визуализировать межчастичные взаимодействия, приводящие к самоорганизации. Изучение процессов самоорганизации актуально не

только для физики жидких кристаллов, но и для смежных научных областей, например, таких как получение упорядоченных коллоидных структур, самоорганизация биологических объектов.

Первые работы по самоорганизации частиц были выполнены на нематических жидких кристаллах. Ко времени начала выполнения диссертационной работы в исследованиях самоорганизации в смектических жидких кристаллах были сделаны фактически только первые шаги. Взаимодействие частиц и их самоорганизация в нематических жидких кристаллах и в смектических плёнках различаются, что связано с рядом принципиальных отличий в структуре этих сред. Смектические плёнки, как среда для самоорганизации, в отличие от нематика представляют собой двумерный объект. В смектических плёнках поле молекулярного упорядочения, в котором происходит самоорганизация (поле с-директора), векторное, в то время как в нематике противоположные направления ориентации нематического директора равноправны. К началу выполнения работы перед исследователями стоял целый ряд задач. Необходимо было понять роль различных взаимодействий в самоорганизации частиц в смектических жидких кристаллах, получить, используя эти взаимодействия, различные самоорганизованные структуры, разработать основы управляемой самоорганизации, когда контролируемым образом изменяется взаимодействие между частицами.

Другим важным результатом, полученным в 1990-е годы, было обнаружение многослойного упорядочения с периодом более двух слоев в полярных смектических жидких кристаллах [2,3]. Структурными единицами в данном случае являются смектические слои. Результаты, полученные сотрудниками Bell Laboratories и ряда университетов США, Франции и Великобритании [3], показали, что период образующихся многослойных структур (иногда называемых субфазами) может быть соизмеримым и несоизмеримым со слоевым упорядочением. Соразмерные полярные фазы можно представить себе как состоящие из периодически повторяющихся наноразмерных единиц (блоков), образующих структуры, модулированные длинноволновым спиральным упорядочением. Несоразмерные фазы являются короткошаговыми спиральными структурами. Большое число исследований, последовавших за первыми публикациями, было направлено на установление структуры блоков соизмеримых фаз и ориентацион-ной структуры несоизмеримых фаз.

Однако, несмотря на существенный прогресс, целый ряд принципиально важных вопросов оставались не выясненными. В смектиках с наклонной ориентацией молекул, к которым принадлежат полярные жидкие кристаллы, параметр порядка двухкомпонентный. Модуль и фаза параметра порядка характеризуют соответственно полярную и азимутальную ориентацию молекул в слоях. Актуальными вопросами, в частности, были следующие: какие взаимодействия участвуют в образовании различных структур, какие новые, не наблюдавшиеся ранее структуры могут при этом возникнуть, к каким последствиям может привести пространственное изменение модуля параметра порядка, и как экспериментально обнаружить это изменение. К этим проблемам примыкает вопрос о трансформации структуры ряда полярных жидких кристаллов (антисегнето-электрик, несоразмерные фазы со слоевой структурой) в электрическом поле. Исследования в этих направлениях важны для практического применения полярных жидких кристаллов.

Основные работы по определению структуры многослойных полярных фаз (как рентгеновские, так и оптические) были проведены на свободно подвешенных плёнках. Во многих исследованиях использование плёнок имеет целый ряд преимуществ по сравнению с образцами в оптических ячейках. Благодаря двум свободным (не граничащим с подложкой) поверхностям, можно приготовить плёнки высокого качества, однородной толщины, без структурных дефектов. Могут быть приготовлены сверхтонкие плёнки толщиной от двух молекулярных слоев. Толщина плёнок контролируется оптическими методами. Несмотря на то, что свободно подвешенные плёнки исследуются уже продолжительное время, синтез новых веществ, прогресс в экспериментальных методиках и теории поставил перед экспериментаторами новые задачи принципиального характера. К ним относятся вопросы устойчивости слоевой структуры сверхтонких плёнок, её связи с поверхностным упорядочением и взаимодействием поверхностей, влияние поверхности и ограниченных размеров на упорядочение смектических слоёв и фазовые переходы, связь структуры линейных и точечных топологических дефектов с характеристиками поля молекулярного упорядочения.

Научная новнзна работы

Представленные в диссертации научные результаты являются существенно новыми по сравнению с уровнем знаний, существовавшим до выпол-

7

нения данной работы, что относится как к экспериментальным, так и к теоретическим результатам. Обнаружен ряд эффектов, позволяющих трансформировать межчастичное взаимодействие в смектических плёнках. Установлена роль хиральности жидкокристаллической среды в самоорганизации частиц. Как фаза, так и модуль параметра порядка (азимутальное и полярное упорядочение молекул) могут участвовать в формировании многослойных полярных структур. Впервые изучены как 2л-, так и я-стенки в тонких свободно подвешенных смектических плёнках в магнитном поле. Получен ряд новых результатов относительно устойчивости слоевой структуры свободно подвешенных смектических плёнок. Впервые определена энергия взаимодействия поверхностей свободно подвешенных плёнок в области температур структурной неустойчивости плёнок, приводящей к переходам утоньшения. Впервые наблюдался обратный по отношению к широко исследуемому эффекту утоньшения плёнок эффект послойного утолщения плёнок при освещении фоточувствительных жидких кристаллов.

Научная и практическая значимость работы

Полученные в работе результаты могут быть применены для дальнейшего развития теории смектических жидких кристаллов, тонких плёнок, самоорганизации в конденсированных средах, а также могут найти применение в различных областях, связанных с практическими приложениями жидких кристаллов. Эффекты изменения межчастичного взаимодействия могут быть использованы для создания материалов с перестраиваемой структурой на основе самоорганизующихся частиц в анизотропных средах. Полученные результаты важны для построения полной теории, описывающей структуру и свойства полярных жидкокристаллических фаз. Расчёты трансформации структур в электрическом поле важны для создания физических основ разработки нового поколения устройств отображения информации.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Исследование самоорганизации частиц в полярных свободно подвешенных смектических плёнках с дефектом на границе частиц. В полярных плёнках топологический дефект может располагаться в плёнке рядом с частицей и на границе частиц. Топологический дефект может находиться на различных расстояниях от частицы и перемещаться из плёнки на гра-

ницу частицы, что приводит к изменению равновесных межчастичных расстояний в образованных частицами структурах. Дано объяснение обнаруженному эффекту.

2. В смектических плёнках получены новые, не наблюдавшиеся ранее структуры из частиц, в том числе двумерные структуры с гексагональным и квадратным упорядочением. Изучена зависимость периода структуры от размера частиц. Получены димеры из частиц с противоположно направленными топологическими дипольными моментами.

3. Хиральность приводит к кардинальному изменению межчастичных взаимодействий в свободно подвешенных смектических пленках. Впервые исследования самоорганизации проведены в пленках, образованных рацемической смесью оптических изомеров и хиральными изомерами, что позволило обнаружить эффекты, связанные с хиральностью. При одних и тех же граничных условиях на границе частиц в нехиральных пленках образуются частицы с квадрупольным взаимодействием, в хиральных пленках — частицы дипольного типа. Дано объяснение наблюдаемому эффекту, связанное с наличием линейной упругости поля молекулярного упорядочения в плёнках с нарушением зеркальной симметрии.

4. В полярных смектических плёнках получены частицы с различным вкладом дипольного и квадрупольного взаимодействия в общее взаимодействие частиц. Впервые в смектических плёнках наблюдались частицы с квадрупольной конфигурацией с-директора и радиальной ориентацией молекул на границе частиц. Изучены капли нематика некруглой формы в смектических плёнках, зависимость их формы от размера. Впервые осуществлено изменение межчастичных расстояний в самоорганизующихся цепочках из частиц более чем в три раза.

5. В смектических плёнках при изменении температуры реализовано изменение направления топологического дипольного момента частиц на противоположное. Обнаруженный эффект позволил трансформировать межчастичное взаимодействие, в частности, притяжение между частицами изменять на отталкивание.

6. С использованием модели Ландау фазовых переходов показано, что полярные смектические структуры могут быть образованы с пространственным изменением фазы и модуля параметра порядка. Изменение модуля параметра порядка может приводить к образованию многообразия по-

лярных смектических структур. В расчётах получены последовательности структур при изменении температуры, соответствующие экспериментально наблюдаемым. С использованием модели Ландау фазовых переходов предсказано существование ряда многослойных полярных структур.

7. Расчёт раскрутки спирали антисегнетоэлектрического жидкого кристалла во внешнем электрическом поле. Зависимости периода структуры от поля и критического поля раскрутки спирали от материальных параметров кардинальным образом отличаются от известных ранее зависимостей в сегнетоэлектрике. Расчёт структуры солитона в антисегнетоэлек-трическом жидком кристалле, его эволюции при изменении величины поля.

8. Расчёт трансформации в электрическом поле короткошаговой спирали БтС*,, с сегнетоэлектрическим типом упорядочения, образованной в результате фрустрационного межслоевого взаимодействия. Переход в плоскую структуру может кардинальным образом отличаться от рассматривавшегося ранее механизма раскрутки спирали, образованной хиральным взаимодействием. Происходит переход в модулированную структуру, период которой при изменении поля остаётся конечным. Плоская структура образуется посредством уменьшения амплитуды модуляции.

9. Впервые в свободно подвешенных смектических плёнках в магнитном поле наблюдались как 2я-, так и я-стенки, определена структура я-стенок в магнитном поле. Структура стенок существенно зависит от их ориентации относительно направления поля. Впервые наблюдался распад 2я-стенки на две я-стенки при изменении ориентации магнитного поля относительно плоскости пленки. Исследование я-стенок в плёнках антисегнетоэлектрического жидкого кристалла в магнитном поле. Определение анизотропии двумерной ориентационной упругости поля молекулярного упорядочения и зависимости ориентационных упругих констант в сверхтонких неполярных смектических плёнках от их толщины. Изучение зависимости анизотропии ориентационной упругости смектического С* жидкого кристалла от поляризации.

10. В тонких полярных свободно подвешенных смектических плёнках обнаружены и изучены переходы, индуцированные поверхностью и ограниченным размером образцов с образованием структур, не наблюдающихся в объёмных образцах. В тонких плёнках, обладающих низкотемпературной антисегнетоэлектрической фазой, при высокой температуре

10

вместо короткошаговой спирали объёмного образца наблюдались планар-ные структуры.

11. Исследование влияния поверхности на кристаллизацию в тонких свободно подвешенных плёнках смектического С жидкого кристалла. В поверхностных слоях плёнок может происходить двустадийная кристаллизация, при которой поверхность индуцирует переход в промежуточную структуру, отсутствующую в объёмном образце.

12. Обнаружены эффекты, связанные с устойчивостью слоевого упорядочения свободно подвешенных плёнок. Обнаружено утолщение плёнок фоточувствительного жидкого кристалла при освещении, обратное известному и широко исследуемому эффекту утоньшения. Предложено объяснение наблюдаемого явления. Впервые определена энергия взаимодействия поверхностей плёнки в области переходов утоньшения. Скачкообразное изменение энергии при утоньшении приводит к стабилизации слоевой структуры. Обнаружена периодическая модуляция высоты переходного слоя (мениска) между полярной свободно подвешенной смекти-ческой плёнкой и объёмным материалом.

Публикации по теме диссертации

Основные результаты диссертации изложены в 33 статьях, опубликованных в российских и зарубежных журналах, входящих в список ВАК. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Достоверность результатов

Обоснованность выводов подтверждается воспроизводимостью наблюдавшихся экспериментальных результатов и эффектов. Теоретические результаты основаны на использовании фундаментального подхода в рамках теории Ландау фазовых переходов. В диссертационной работе проведены расчёты, соответствующие экспериментальным наблюдениям, независимым измерениям, проведённым за рубежом. Результаты опубликованы в ведущих научных журналах, докладывались на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора

Автору принадлежит ключевая роль в постановке задач, проведении экспериментов, анализе и интерпретации экспериментальных результатов, а также в написании статей по теме исследования и представлении резуль-

татов на семинарах и конференциях. Образцы, на которых проводились экспериментальные исследования, приготовлялись автором. Подавляющая часть экспериментальных исследований выполнена автором в ИФТТ РАН. Исследования поверхности смектических плёнок с использованием атомно-силовой микроскопии и оптической интерферометрии проводились в центре ЦНРС им. Поля Паскаля (Франция) с участием автора. Численный расчёт структур жидких кристаллов проводился автором с использованием программы, составленной В. М. Жилиным, при этом постановка задачи, расчёты и анализ результатов проводились автором.

Апробация результатов диссертации

Результаты были представлены на следующих конференция и семинарах: 7, 8, 10, 11 Европейских конференциях по жидким кристаллам (Хака, Испания, 6-11 апреля 2003 г.; Сесто, Италия, 27 февраля - 4 марта 2005 г.; Кольмар, Франция, 19-24 апреля 2009 г.; Марибор, Словения, 6-11 февраля 2011 г.); XVI Европейской конференции по химии межфазных поверхностей (Владимир, 14—18 мая 2003 г.); 10 Международной конференции по Оптике жидких кристаллов (Ассуа, Франция, 13-19 сентября 2003 г.); VI Международной конференции по прикладной оптике «Оптика дисплеев-2004» (Санкт-Петербург, 18-20 октября 2004 г.); XII, XIII, XIV Национальных конференциях по росту кристаллов (Москва, 23-27 октября 2006 г.; 17-21 ноября 2008 г.; 6-10 декабря 2010 г.); XIII Международной конференции «Поверхностные силы» (Москва, 28 июня - 4 июля 2006 г.); 20, 22, 24 и 25 Международных конференциях по жидким кристаллам (Любляна, Словения, 4-9 июля 2004 г.; Чеджу, Корея, 29 июня - 4 июля 2008 г.; Майнц, Германия, 19-24 августа 2012 г.; Дублин, Ирландия, 29 июня - 4 июля 2014 г.); 36 и 41 Немецких конференциях по жидким кристаллам (Магдебург, Германия, 12-14 марта 2008 г.; Магдебург, Германия, 25-27 марта 2014 г.); XVIII Международном симпозиуме по перспективным дисплейным технологиям (Санкт-Петербург, 27 сентября - 1 октября 2010 г.); 13 и 14 Международных конференциях по сегнетоэлектри-ческим жидким кристаллам (Ниагара Фоллз, Канада, 28 августа — 2 сентября 2011 г.; Магдебург, Германия, 1-6 сентября 2013 г.); конференции РСНЭ-НБИК (Москва, 14-18 ноября 2011 г.); XIX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Москва, 20-23 июня 2012 г.); Первой Всероссийской конференции по жидким кристаллам (Иваново, 17-21 сентября 2012 г.); Международной конференции 1СОЫО/ЬАТ (Москва,

12

18-22 июня 2013 г.); на научных семинарах в ИФТТ РАН, МГУ, Ж РАН, ИПХФ РАН, Межинститутском семинаре в Черноголовке, семинарах в Университете Лилля (Франция), Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция), Университете Осаки (Япония), Институте физики HAH (Киев), Университете Манчестера (Великобритания), центре ЦНРС имени Поля Паскаля (Франция).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 312 страницах, содержит 130 рисунков и список литературы из 390 наименований.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны цели и задачи работы, научная и практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы и опубликованных статьях. В круглых скобках ниже приводятся ссылки на публикации автора по результатам диссертационной работы, в квадратных скобках — на список цитированной литературы.

В первой главе приведён обзор литературы по теме диссертации. В разделе 1.1 описываются результаты по самоорганизации частиц в жидких кристаллах. Межчастичное взаимодействие, связанное с деформацией частицами поля молекулярного упорядочения, приводит к образованию структур, стабильных относительно тепловых флуктуаций, причём вид структур кардинальным образом зависит от граничных условий на поверхности частиц. Первые исследования самоорганизации частиц были проведены в нематических жидких кристаллах. В дальнейшем взаимодействие и самоорганизация частиц в нематических жидких кристаллах активно изучались экспериментально и теоретически. По самоорганизации частиц в смектических плёнках были выполнены только единичные экспериментальные и теоретические работы. В частности, в полярных плёнках [4] наблюдалось образование цепочек из частиц, рядом с которыми находились топологические дефекты (дипольные частицы). Межчастичные расстояния в цепочках находились в качественном согласии с теорией. Кардинально другое поведение было обнаружено для частиц (капель нематической фазы) с квадрупольной конфигурацией с-директора возле частиц [5]. Частицу сопровождал не один топологический дефект, а два

13

дефекта на противоположных полюсах частицы. Наблюдалось образование не только линейных, но и разветвлённых цепочек. При большой концентрации частиц образуются двумерные структуры.

В разделе 1.2 описаны результаты исследований полярных смек-тических фаз. Структуры 5тС*Г11 (ЗтС*^) и 5тС*И2 (ЗтС*а4) фаз, а также несоразмерной фазы ЗтС*а были определены в конце 1990-х — начале 2000-х годов в измерениях резонансного рентгеновского рассеяния и оптических эллипсометрических экспериментах. Изменение азимутальной ориентации молекул от слоя к слою, формирующее многослойное упорядочение, может быть детектировано в резонансном рентгеновском рассеянии [3]. Таким образом определены периоды структур. Информация о взаимной ориентации плоскостей наклона молекул в смектических слоях получена также с использованием оптических измерений. Обсуждаются различные теоретические подходы к описанию структуры фаз и их последовательностей [6-8]. Прогресс в описании полярных фаз связан с использованием дискретной феноменологической модели с фрустрационным взаимодействием между молекулярными слоями, разделенными одним слоем [7]. Обсуждаются возможные причины возникновения эффективных межслоевых взаимодействий. Рассмотрены экспериментальные и теоретические результаты по поведению полярных жидкокристаллических структур во внешнем электрическом поле.

Раздел 1.3 посвящён исследованиям стабильности слоевого упорядочения свободно подвешенных смектических плёнок, фазовых переходов в плёнках, топологических дефектов и стенок. Одним из наиболее интересных эффектов, связанных со стабильностью свободно подвешенных плёнок, является эффект послойного утоньшения плёнок при нагреве выше температуры объёмного перехода в фазу без слоевого упорядочения [9]. Плавление плёнки заменяется серией переходов, при которых толщина плёнки послойно уменьшается при увеличении температуры. После открытия эффекта утоньшения начались его интенсивные экспериментальные и теоретические исследования, а сам эффект широко используется в различных экспериментах. Для описания переходов утоньшения использовались микроскопические и феноменологические модели [10-12]. В области переходов утоньшения нетривиально ведут себя характеристики плёнок, связанные с их стабильностью. Ряд вопросов, в частности о пове-

дении поверхностного натяжения, энергии взаимодействия поверхностей плёнок в области переходов утоньшения, оставался неясным.

Поверхность и конечная толщина плёнок приводят также к трансформации фазовых переходов, связанных с ориентационным параметром порядка, кардинальному изменению физических характеристик (поляризация, ориентационная упругость и т. д.). Большое число исследований свободно подвешенных плёнок было выполнено на сегнетоэлек-трическом SmC* жидком кристалле, т. к. в этом случае более просто получить монодоменные образцы, ориентируя поляризацию и с-директор электрическим полем. Значительный интерес вызывает поведение плёнок веществ, имеющих гексатические фазы с ориентационно упорядоченными связями [13]. Линейные дефекты (стенки) во внешнем поле, периодические структуры в поле с-директора представляют существенный интерес при изучении свойств тонких плёнок. Рядом групп проводились исследования полярных плёнок в электрическом поле. Однако целый ряд дефектов, таких, например, как 2л- и л-стенки в магнитном поле в смектических плёнках, фактически не исследовались.

Таким образом, смектические жидкие кристаллы и свободно подвешенные плёнки являлись предметом интенсивных исследований, однако целый ряд принципиально важных вопросов оставался недостаточно полно изученным. Среди направлений, в которых требовалось проведение всесторонних исследований, можно выделить, в частности, следующие. Самоорганизация частиц в смектических плёнках. Причины образования полярных смектических структур с различной периодичностью и структурой периода. Влияние поверхностного упорядочения на структуры, образующиеся в свободно подвешенных плёнках, стабильность тонких плёнок.

Во второй главе приводятся сведения об использованных жидкокристаллических веществах и применявшихся экспериментальных методиках. В разделе 2.1 приводятся структурные формулы и последовательности фаз исследованных веществ. Использовались вещества, обладающие полярными смектическими фазами: сегнетоэлектрической SmC*, антисегнетоэлектрической SmC*A, субфазами SmC*D, SmC*d3, неполярной SmC, Sm/1, гексатической фазами. Вещества были предоставлены высококвалифицированными химиками-синтетиками (X. Нгуен, Б. М. Болотин и др.) или синтезированы известными производителями (ХЗХР, Merck).

Раздел 2.2 поевящён описанию экспериментальных методик. Основными из них являются измерения в поляризованном свете, поляризованная и деполяризованная оптическая микроскопия. Для приготовления свободно подвешенных плёнок использовались ячейки нескольких типов. Ячейкой первого типа была стеклянная пластина с вырезанным в ней конусообразным отверстием. Другая разновидность ячеек представляла собой прямоугольную рамку, длинными боковыми сторонами которой были тонкие металлические пластины (лезвия). Ячейка третьего типа представляла собой раздвижную прямоугольную рамку. Две или одна из торцевых сторон рамки могли приводиться в движение, что позволяло менять продольный размер образца и получать плёнки с различным числом смектических слоёв. К плёнке могло быть приложено электрическое или магнитное поле. Число молекулярных слоёв в свободно подвешенных плёнках определялось по измерениям интенсивности отражения света. Для выполнения экспериментов проведена существенная методическая работа. В частности, была реализована возможность исследования свободно подвешенных плёнок в широком интервале температур в магнитном поле различной ориентации по отношению к нормали к смектической плёнке. Использование магнитного поля позволило впервые провести исследования самоорганизации частиц в неполярных свободно подвешенных смектических плёнках с однородно ориентированным полем молекулярного упорядочения, изучить структуру 2л- и я-стенок в неполярных плёнках. В главах 3-8 содержатся оригинальные результаты диссертации.

Третья глава посвящена изучению самоорганизации частиц в смектических плёнках. Частицы представляли собой капли высокотемпературной фазы, смектические острова большей толщины, чем толщина плёнки. При нагреве капли образовывались в плёнках вблизи температуры объёмного фазового перехода из смектической в нематическую или холе-стерическую фазу. Смектические острова могли быть получены из капель при охлаждении, а также при изменении площади плёнки.

В разделе 3.1 описываются частицы с различными типами межчастичного взаимодействия. Для одной и той же планарной ориентации с-директора на границе частиц наблюдались три различные конфигурации с-директора в плёнке (кулоновская, дипольная и квадрупольная, рисунок 2). У дипольных частиц топологический дефект может располагаться в плёнке рядом с частицей (рисунок 2(1). Ранее в литературе описаны час-

16

тицы с радиальной ориентацией с-директора и дефектом в плёнке [4]. Нами обнаружено, что дефект в случае дипольных частиц может располагаться на их границе (рисунок 2с). Более того, оказалось, что такое расположение наиболее типично для капель. Как было установлено, в плёнках без топологических дефектов капли образуются с дефектом на границе.

Рисунок 2. Частицы с кулоновской (а), квадрупольной (Ь) и дипольной (с,с1) конфигурацией с-директора. На фото (ф топологический дефект находится в плёнке рядом с частицей, на фото (с) дефект на границе частицы. На фото (Ь,с1) вдали от частиц с-директор ориентирован вертикально, на фото (с) горизонтально. На границе частиц ориентация с-директора планарная (параллельно границе). Положение поляризатора Р и анализатора А указаны на каждой фотографии. Смесь 50:50 ДОБА и УДОБА (а), УДОБА (Ь), 11В8МНОВ (с,с1). Из работ (13,19,21).

В полярных плёнках исследована самоорганизация частиц с топологическим дефектом на границе. Наблюдалось образование линейных цепочек из частиц с параллельными топологическими дипольными моментами (рисунок За). Цепочки перпендикулярны ориентации

с-директора вдали от частиц. Такое поведение частиц и цепочек из частиц находится в согласии с теорией. Цепочки из частиц, рядом с которыми находится дефект (рисунок ЗЬ), также ориентируются перпендикулярно с-директору.

Рисунок 3. Самоорганизация частиц с дипольной конфигурацией с-директора в смектических плёнках. Линейные цепочки ориентированы перпендикулярно ориентации с-директора вдали от частиц (а,Ь). Ориентация с-директора на границе частиц планарная. На фото (Ь) топологические дефекты находятся в плёнке между частицами, на фото (а) на границе частиц. Димеры, образованные из свободных частиц с антипараллельными топологическими дипольными моментами М). ПВвМНОВ. Фото (а,ЬД) сняты в деполяризованном свете, фото (с) при скрещенных поляризаторах. Из работ (20,21).

Частицы с квадрупольной конфигурацией с-директора помимо линейных цепочек образуют более сложные структуры. Простейшие нелинейные цепочки и кластеры из частиц показаны на рисунке 4. Структура цепочек и кластеров качественно согласуется с парным межчастичным взаимодействием. При большой концентрации частиц образуются двумерные структуры.

В разделе 3.2 изучается поведение дипольных частиц с топологическим дефектом в плёнке рядом с частицей. Обнаружено, что равновесное расстояние от дефекта до центра капли изменяется с изменением температуры. При низкой температуре г/г0~ 1.41, где г0 - радиус капли, что согласуется с теорией, предполагающей жесткие граничные условия на границе частицы. Обнаружено, что при нагреве топологический дефект приближается к частице. При высокой температуре дефект может садить-

ся на границу капли. Дано объяснение наблюдаемому эффекту. Из экспериментальных данных оценена температурная зависимость энергии сцепления молекул жидкого кристалла с границей капли. Обнаружена существенная зависимость межчастичных расстояний в образованных каплями цепочках от температуры. Межчастичное расстояние в самоорганизованных структурах уменьшается с увеличением температуры.

Рисунок 4. Самоорганизация частиц с квадрупольной конфигурацией с образованием различных типов кластеров. Ориентация с-директора на границе частиц планарная. Вдали от частиц с-директор ориентирован в вертикальном направлении. Нелинейные симметричные цепочки (Ь) и длинные оси ромбов (с,с!) ориентированы параллельно с-директору. Фото (а-с) сняты в неполяризованном свете, фото (ё) - при скрещенных поляризаторе и анализаторе. Смесь 25% ДОБА и 75% УДОБА. Из работы (13).

Раздел 3.3 посвящён изучению самоорганизации капель жидкости, образующихся при освещении фоточувствительных плёнок. Образование капель связано с транс-цис конфигурационным переходом, происходящим в фоточувствительных молекулах вещества Аго4 (7). В транс-форме молекулы имеют палочкообразную форму и образуют смектическую фазу. В г/ыс-форме молекулы изогнуты, что приводит к образованию капель в плёнке. В эксперименте можно регулировать число и размер капель изменением интенсивности света, а также получать большое число капель близких размеров, что существенно для наблюдения самоорганизации и образования двумерных упорядоченных структур. Капли малого размера образуют линейные цепочки. При высокой плотности капель получены структуры из капель с квадратным и гексагональным упорядочением.

1 а : © , йМг ь * о % «

С Оо 0 шшшшяштшшяшп V•¡'•'•■хМЙШМ'К А. ■ * ... .■■-..■л'ЩР

Гексагональное упорядочение наблюдалось в широком диапазоне размеров капель.

В плёнках, в которых присутствуют краевые дислокации, капли эффективно взаимодействуют с дислокациями и образуют цепочки с периодическим расположением капель вдоль дислокации. Локализация капель на дислокации связана с уменьшением энергии системы. Когда на дислокации расположена капля, часть линейного натяжения, связанная с энергией ядра дислокации, исчезает, так как внутри капли отсутствует смектическое упорядочение. Оценки показывают, что эта энергия может на несколько порядков превышать кТ, что приводит к эффективной локализации капель на дислокации.

В разделе 3.4 приведены результаты исследования формы капель в неполярных плёнках ДОБА, допированного этилдецилоксибензоатом. Обнаружено, что форма капель может существенно зависеть от их размера и температуры. При низкой температуре капли большого размера (£»25 мкм) имеют практически круглую форму. Форма капель малого размера при высокой температуре может заметно отличаться от круглой. В этом случае капли имеют удлинённую форму, два топологических дефекта располагаются на большой оси капли. При уменьшении размера капель отношение длин полуосей увеличивается. При высокой температуре капли могут становиться веретенообразными. Изменение формы капель связывается с конкуренцией между энергией деформации директора и поверхностной энергией. Для больших частиц доминирует поверхностная энергия, капли имеют практически круглую форму, что минимизирует энергию границы раздела. Для малых частиц большая кривизна поверхности приводит к большой упругой энергии поля директора. Выгодным при высокой температуре оказывается изменение формы капли, позволяющее уменьшить упругую энергию. Показано, что экспериментальные результаты находятся в качественном согласии с теоретическими предсказаниями.

В конце главы сформулированы основные выводы.

В четвертой главе описывается трансформация межчастичного взаимодействия в свободно подвешенных смектических плёнках. Использовались смеси изомеров с различной величиной поляризации и хираль-ности. Показано, что конфигурация с-директора у частиц и межчастичное взаимодействие зависят от хиральности, размера частиц и температуры.

20

Переход от дипольной к квадрупольной конфигурации был обнаружен при изменении поляризации. В неполярных плёнках из рацемической смеси изомеров (рисунок 5а,Ь) частицы являются топологическими квад-руполями, в плёнках, приготовленных из хирального изомера с большой величиной поляризации, частицы представляют собой топологические диполи (рисунок 5с,(1). Предложено объяснение наблюдавшемуся эффекту. Эффект связывается с конкуренцией между квадратичной и линейной ориентационной упругостью жидкого кристалла. В плёнках с большой поляризацией и хиральностью становится существенна линейная упругость, что приводит к выгодности дипольной конфигурации. Такое поведение наблюдалось у частиц при низкой температуре (ниже температуры утоньшения на один или несколько десятых градуса). В смесях с малой величиной поляризации наблюдались частицы с конфигурацией, промежуточной между чисто дипольной и квадрупольной.

Рисунок 5. Квадрупольная конфигурация с-директора вблизи частиц в неполярных плёнках (а,Ь), дипольная конфигурация в полярных плёнках (с,с1). Неполярные плёнки приготовлены из рацемической смеси ПВЭМНОВ (а,Ь), полярные из хирального ПВБМНОВ (с) и хирального 9В8МНОВ (с!). На границе частиц ориентация с-директора планарная. Фото (а-с) сделаны при скрещенных поляризаторах, фото (<3) - при раскрещенных поляризаторах. Горизонтальный размер фото (а,Ь,с1) 234 мкм, фото (с) 154 мкм. Из работы (11).

Обнаружена и исследована зависимость конфигурации поля с-директора в смесях с малой поляризацией от размера частиц. На рисунке 6 представлена зависимость угла между дефектами а от размера капель. Экспериментальные результаты не могли быть описаны существовавшей к тому моменту теорией, согласно которой максимальное изменение угла

4 с1 г :

и '¡ЯЗЯ

между дефектами могло быть 180° при переходе от частиц большого размера к малым (квадрупольная конфигурация). В эксперименте квадру-польная конфигурация наблюдалась для частиц с R-7 мкм, а для меньших частиц угол между дефектами оказывается больше 180°. Показано, что экспериментальные результаты хорошо описываются предложенной теорией, учитывающей наличие переходного слоя (мениска) между смекти-ческой плёнкой и каплей.

300

о ~а

240

180

о 120

5 10 15

droplet radius R (цт)

Рисунок 6. Зависимость угла между дефектами а от размера частиц R. Кривая - подгонка экспериментальных данных теоретической зависимостью. Измерения проведены на плёнках из смеси полярного и рацемического 11BSMHOB с поляризацией 4 нКл/см2. Из работы (19).

Изучено поведение частиц с топологическим дефектом на границе в полярных плёнках 11BSMHOB и 9BSMHOB при изменении температуры. Обнаружена кардинальная трансформация ориентации директора в плёнке при высокой температуре, связанная с изменением ориентации с-директора на границе частиц. Переориентация с-директора на границе происходит в области температур выше объёмного фазового перехода в структуру без слоевого упорядочения и осуществляется путём движения дефектов по границе частиц. Таким образом можно осуществлять изменение направления топологического дипольного момента частиц на противоположное и изменять межчастичное взаимодействие. Температурный интервал, в котором происходит переориентация, увеличивается с умень-

шением толщины плёнки. Это позволяет получить частицы с конечным расстоянием между дефектами и изменять межчастичные расстояния в цепочках и димерах (рисунок 7). Расстояние между частицами может быть изменено более чем в три раза. Кроме того, в полярных плёнках, в которых при низкой температуре конфигурация дипольная, впервые получены частицы с квадрупольной конфигурацией и радиальной ориентацией с-директора на границе частиц. Переориентация может приводить к необычному изменению коллективного поведения частиц. В частности, при переориентации реализован распад упорядоченных структур из частиц и возможность последующего контролируемого упорядочения частиц.

ь А тт ЕмлЯ

50цт СИщ

Рисунок 7. Дипольная частица и димер из частиц в плёнке ПВЭМНОВ, Т=109°С (а). При нагреве на 0.4°С дефект на границе частиц распался на два дефекта с конечным расстоянием между ними (Ь). Увеличение угла между дефектами на границе частиц приводит к уменьшению расстояния между частицами. На границе частиц ориентация с-директора планарная. Фотографии сняты в отраженном свете, ориентация поляризатора Р и анализатора А показана на фото (Ь). Поляризация жидкого кристалла 40 нКл/см2. Из работы (19).

В разделе 4.3 описано поведение частиц в смектических плёнках с противоположным направлением топологического дипольного момента. Частицы с противоположным направлением топологического дипольного момента получены в области температур, где происходит описанная в разделе 4.2 переориентация. Капли с противоположным направлением дипольных моментов могут образовывать два типа димеров (рисунок Зс,с!), в том числе квадрупольного типа. Взаимное расположение частиц и межчастичное расстояние в таких димерах отличается от димеров, образованных из частиц с параллельными дипольными моментами. В конце главы сформулированы основные выводы.

В пятой главе приводятся результаты расчётов структур полярных жидких кристаллов и переходов между ними, в том числе в электрическом поле, в рамках дискретной теории Ландау фазовых переходов с двухкомпонентным параметром порядка 4/. Показано, что изменение фазы и модуля параметра порядка может происходить в ряде полярных структур. Сделаны предсказания, получившие экспериментальное подтверждение.

В разделе 5.1 описано образование различных полярных структур с двухкомпонентным параметром порядка. Расчёты проводились с использованием дискретной теории Ландау фазовых переходов. Свободная энергия бралась в виде (6)

где выражение в квадратных скобках — свободная энергия смектического слоя, не взаимодействующего с другими слоями. - межслоевые взаимодействия, включающие в себя взаимодействие соседних слоёв фрустрационное взаимодействие Дгбб+г- Кроме этих слагаемых, в различных расчётах также использовались энергетический барьер между синк-линной и антиклинной ориентацией 6[£х£+|]2, хиральное би-

квадратное взаимодействие Л 1<?,2(<?м 6+66+1) и взаимодействие через два молекулярных слоя Язбб+з- Энергия также могла включать в себя взаимодействие слоевой поляризации с электрическим полем. Обсуждается влияние изменения в структурах модуля параметра порядка на образование многообразия полярных смектических фаз. Отличительной особенностью расчётов, проведённых в рамках работы, является возможность ми-

нимизации энергии по фазе и модулю параметра порядка. Возможность изменения модуля параметра порядка от слоя к слою приводит к тому, что ряд структур становятся энергетически выгодными по отношению к структурам, в которых модуль параметра порядка одинаков во всех смек-тических слоях.

Аналоги смектических структур с изменяющимся от слоя к слою параметром порядка могут существовать и в других системах. В теории сверхпроводимости аналогом таких структур может служить РРЬО-состояние [14]. Пространственное изменение фазы и модуля параметра порядка в смектических структурах должно приводить к особенностям рентгеновского рассеяния. В структурах с пространственным изменением только фазы параметра порядка сателлитные рефлексы наблюдаются в резонансном рассеянии. Возможность наблюдения сателлитных пиков в нерезонансном рассеянии являлась одним из предсказаний расчётов. Рассчитаны особенности рассеяния, интенсивности сателлитных пиков. Нерезонансное рассеяние в трехслойной сегнетиэлектрической структуре обнаружено в экспериментах, проведённых европейской группой в Гренобле [15]. Расчёты, основанные на теории Ландау фазовых переходов, показывают возможность существования антисегнетоэлектриче-ской фазы с 6-слойной периодичностью. Смектическая фаза с периодом б молекулярных слоёв обнаружена в рентгеновских экспериментах, проведённых В Брукхевенской национальной лаборатории [16].

Раздел 5.2 посвящён расчёту последовательностей полярных структур при изменении температуры. В расчётах получены последовательности, соответствующие наблюдаемым в экспериментах. Исследовано влияние хиральности на структуру фаз. Наиболее сильные эффекты вызываются совместным действием хирального и фрустрационного взаимодействий. В субфазах хиральность приводит не только к образованию длинноволновой спирали, но и к повороту плоскостей наклона молекул в элементарной ячейке.

В разделе 5.3 приведены результаты расчётов раскрутки спиральной структуры антисегнетоэлектрического жидкого кристалла в электрическом поле, структуры солитона в антисегнетоэлектрике. В антисегнето-электрике определена зависимость поля раскрутки спирали от межслоевых взаимодействий, которая кардинально отличается от известной зависимости для сегнетоэлектрика. Зависимость шага спирали от поля в сег-

нетоэлектрике и антисегнетоэлектрике также отличаются (рисунок 8). В антисегнетоэлектрике в малом поле период увеличивается слабее, чем в сегнетоэлектрике, вблизи поля раскрутки происходит резкое увеличение периода. Изучена структура солитона в антисегнетоэлектрике в поле, близком к полю раскрутки спирали. Из-за особенностей структуры (суммарный угол поворота ориентации молекул в солитоне равен п) антисег-нетоэлектрический солитон является устойчивым. Солитонное состояние благодаря устойчивости может существовать в метастабильном состоянии вплоть до перехода в синклинный сегнетоэлектрик.

Electric field E/Eh

Рисунок 8. Зависимость относительного периода структуры от поля для антисегнетоэлектрика (точки). Пунктирная линия - зависимость периода от поля для сегнетоэлектрика. Eh - поле раскрутки спирали, ро - период в отсутствие поля. Из работы (22).

В разделе 5.4 приведены результаты расчёта поведения полярных субфаз во внешнем поле. Рассчитана трансформация в поле спиральной структуры, образованной в результате фрустрационного взаимодействия (фаза SmCa*). Показано, что переход в плоскую структуру качественно отличается для случая хирального и фрустрационного взаимодействия (рисунок 9). Для структур, образованных в результате хирального взаимодействия, переход к плоской структуре во внешнем поле связан с раскруткой спирали. Для фазы, образованной в результате фрустрационного взаимодействия, вначале происходит скачкообразный переход в новую структуру, в которой направление поворота плоскости наклона молекул периодически изменяется. Период структуры остается конечным (символы, рисунок 9а). При увеличении поля амплитуда модуляции уменьшается

26

(рисунок 9Ь, светлые символы), и когда становится нулевой, образуется плоская структура. Физическая причина такого поведения состоит в том, что при фрустрационном взаимодействии поворот по часовой стрелке и против часовой стрелки равноправен, что приводит к образованию модулированной структуры с периодическим изменением направления поворота молекул.

Рисунок 9. (а) Зависимость периода структуры р/р0 от поля Е/Е0 для SmCa* (точки) и для SmC* (сплошная линия). Переход фазы SmCa*, образованной из-за фрустрационного взаимодействия, в планарную структуру происходит через образование промежуточной модулированной структуры SmCs* и уменьшение амплитуды (3 осцилляций азимутальной ориентации молекул до нуля. Е0 - поле перехода в планарную структуру, р0 - период в отсутствие поля. (Ь) Зависимость поляризации Р/Р, и р от поля. Pi - слоевая поляризация. Из работы (32).

Е/Е„

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Открытие фазы с периодом 6 елоёв [16] стало важным этапом в исследованиях полярных фаз, т. к. оно показало возможность существования структур с большим периодом. Нами проведен расчёт трансформации структур и фазовой диаграммы температура - электрическое поле, включающей многослойные полярные структуры, в том числе шестислойную и пятислойную сегнетиэлектрическую структуры. В конце главы сформулированы основные выводы.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям структур и фазовых переходов в тонких свободно подвешенных плёнках. В разделе 6.1 описываются результаты исследования тонких полярных смектических плёнок вещества ТРМНРВС, образующего при низкой температуре антисегнетоэлектрическую фазу. Измерения проводились в электрическом поле, параллельном плоскости плёнок. Измерена оптическая анизотропия плёнок. Мерой анизотропии служило отношение интен-сивностей отраженного от плёнки света, поляризованного параллельно 1ц и перпендикулярно Ц электрическому полю. Температурная зависимость относительной интенсивности Ц/1ц для тонких плёнок в 8тС*л фазе приведена на рисунке 10. В плёнках с нечётным числом слоёв 11/1ц>1 (плоскость наклона молекул перпендикулярна направлению поля), в плёнках с чётным числом слоёв 1±/1ц<1 (плоскость наклона молекул параллельна полю). Такое поведение связано с тем, что в антисегнетоэлектрической фазе тонкие плёнки обладают электрической поляризацией, направление которой зависит от числа слоёв в плёнке [17]. В плёнках с чётным числом слоёв поляризация параллельна плоскости наклона молекул (продольная поляризация), в плёнках с нечётным числом слоёв перпендикулярна плоскости наклона молекул (поперечная поляризация). Абсолютная величина оптической анизотропии |1х/1ц-1| уменьшается с увеличением температуры, что связано с уменьшением угла наклона молекул, и увеличивается с уменьшением толщины плёнки, что связано с поверхностным упорядочением.

При высокой температуре поведение плёнок зависит от чётности числа слоёв. В веществе с последовательностью фаз в объёмном образце 8тС*А-8тС* а-8пъ4 при нагреве выше температуры объёмного перехода в 8тС*а фазу в тонких плёнках происходят переходы с изменением направления поляризации по отношению к плоскости наклона молекул. Пе-

реходы детектировались по изменению интенсивности отражения света от плёнки и с помощью наблюдений в поляризованном свете (рисунок 11). Трансформация структуры наглядна при наличии в образце 2л-стенок.

_ 1.15 j 1.10

I

11-00 ф

> 0.95 «

£ 0.90 0.85

50 60 70 80 90

Temperature (°С)

Рисунок 10. Температурная зависимость относительной интенсивности отражения Ii/Ij в антисегнетоэлетрической фазе TFMHPBC для плёнок толщиной 3-7 молекулярных слоёв. 1ц и Ij. - интенсивности отражения от плёнки света, поляризованного параллельно и перпендикулярно электрическому полю. N - число молекулярных слоёв в плёнке. Из работы (2).

В антисегнетоэлектрической фазе в используемой геометрии наблюдений (деполяризованное отражение) плёнка с чётным числом слоёв выглядит тёмной (рисунок 11а). 2п-стенки выглядят как двойные светлые полосы. При нагреве в плёнке происходит переход (рисунок lib) в состояние с поперечной поляризацией. Фронт перехода при нагреве движется снизу вверх. При переходе происходит резкий поворот плоскости наклона молекул в слоях. При высокой температуре плёнка светлая с тёмными 2тг-стенками (рисунок 11с). В этом состоянии поляризация плёнки ориентирована перпендикулярно плоскости наклона молекул. В плёнке с нечётным числом слоёв переход при нагреве происходит из структуры с поперечной поляризацией в структуру с продольной поляризацией (рисунок lld-f)- Аналогичные переходы происходят в плёнках всех исследо-

ванных толщин (N<12), за исключением плёнки толщиной два молекулярных слоя. Температура перехода из антисегнетоэлектрической фазы увеличивается с уменьшением толщины плёнки. Расчёты в рамках теории

Г

50,ит

N нечетное а

и

¡ДО*

? Ч'■:':::::■1^ 1Ш: Ж? ■'' : ::?^:.• ■

Рисунок 11. Переходы между полярными структурами в тонких плёнках антисегнетоэлектрического жидкого кристалла вблизи температуры объёмного перехода в неполярную Эпъ4 фазу. Характер перехода зависит от чётности числа слоев в плёнке, (а-с) Переход при изменении температуры в плёнке ТРМНРВС с чётным числом слоёв. (а) Плёнка в антисегнетоэлектрической фазе (Т=70.7°С). Плоскость наклона молекул параллельна электрическому полю (продольная поляризация). (Ь) Переход при нагреве (Т=75°С): образуется область высокотемпературной фазы с поперечной (перпендикулярной плоскости наклона молекул) поляризацией (с) Состояние при высокой температуре с поперечной поляризацией (Т=75.7°С). В плёнке с нечётным числом слоёв (ё-О переход происходит из состояния с поперечной поляризацией (с!) в состояние с продольной поляризацией (1). N=8, Е=8.8 В/см (а-с); N=9, Е=7.5 В/см (с!-Г). Фотографии сняты в деполяризованном свете. Из работы (3).

Ландау фазовых переходой Показывают, что наблюдаемые переходы между плоскими структурами в плёнках связаны с наличием поверхностного упорядочения и фрустрационного межслоевого взаимодействия.

В плёнках с нечётным числом слоев при более высокой температуре в электрическом поле происходит еще один переход в структуру с поперечной поляризацией. Электрическое поле при высокой температуре позволяет переводить пленки из состояния с продольной поляризацией в состояние с поперечной поляризацией и наоборот. Абсолютное значение оптической анизотропии при переходах остаётся практически неизменным и плавно уменьшается с увеличением температуры. Это свидетельствует о том, что в тонких плёнках образуются плоские структуры, в отличие от короткошаговой спирали в объёмном образце.

В тонких плёнках антисегнетоэлектрического жидкого кристалла из измерений относительной интенсивности отражения определена температурная зависимость параметра порядка (угла наклона молекул в плёнке) как в антисегнетоэлектрической фазе, так и в области переходов. Величина угла наклона увеличивается с уменьшением толщины плёнки, что связано с поверхностным упорядочением.

Результаты проведённых исследований демонстрируют, что в тонких плёнках образуются структуры, кардинально отличающиеся от структуры объёмного образца. Электрооптические эффекты, связанные с изменением типа поляризации, зависят от чётности числа слоев в плёнке, температуры и происходят при малой величине параметра порядка в центре плёнки при высоких температурах.

Проведены электрооптические исследования в тонких свободно подвешенных плёнках полярного жидкого кристалла 14р1т7 с последовательностью фаз в объёмном образце БтС^-ЗглС^-БтС*. В плёнках с чётным числом слоёв (N=2,4) наблюдался переход из состояния с продольной поляризацией (при низкой температуре) в состояние с поперечной поляризацией (при высокой температуре). Определена температурная зависимость угла наклона молекул в состояниях с продольной и поперечной поляризацией. Поверхностное упорядочение проявляется при высоких температурах в зависимости угла наклона молекул от толщины плёнки.

В разделе 6.2 описаны эксперименты по изучению фазовых переходов и модулированной структуры, образующейся в плёнках гексатическо-го жидкого кристалла. Исследовалось вещество 50.6 с последовательностью фаз в объёмном образце при охлаждении 8тС-Н8т5-8т/\ При охлаждении из ЭтС фазы в плёнках происходит ряд переходов. В толстых плёнках температура перехода в гексатическую фазу на поверхности сдвинута в высокотемпературную область примерно на 9°С по отношению к переходу в объёмном образце. После перехода в плёнке образуются домены, характерные для гексатического жидкого кристалла с наклонёнными молекулами. При дальнейшем охлаждении домены разбиваются на параллельные полосы с чёткими границами. Такое поведение можно связать с образованием в поверхностных слоях так называемой 8т£ фазы, в которой плоскости наклона молекул ориентируются под углом к направлению гексатических межмолекулярных связей [18]. Период полос увеличивается с уменьшением температуры. Когда период при охлаждении достигает величины 13-15 мкм, ширина полос резко увеличивается и структура становится непериодичной. В толстых плёнках (N>100 слоёв) переходы на двух поверхностях могут происходить независимо, при этом образуются две независимые системы доменов у двух поверхностей плёнки. Дано объяснение образования периодической структуры в плёнках. Образование периодической модулированной структуры указывает на нестабильность, при которой модулированное состояние имеет меньшую энергию, чем однородное состояние.

В разделе 6.3 описаны исследования влияния поверхности на кристаллизацию в плёнках смектика С. Исследовалось вещество с переходом ЭтС-СгВ в объёмном образце. Показано, что в поверхностных слоях может происходить двустадийная кристаллизация. При температуре, на 8°С превышающей температуру кристаллизации объёмного образца, в поверхностных слоях плёнки происходит переход. Образуется структура с текстурой, характерной для гексатика. При дальнейшем охлаждении наблюдается ещё один переход вблизи температуры объёмного фазового перехода в кристаллическое состояние. Наличие ярко выраженного фронта перехода, а также гистерезис при нагревании и охлаждении свидетельствуют, что наблюдающиеся переходы являются переходами первого рода. Измерение оптической анизотропии, связанной с наклоном молекул в слоях, показало, что на поверхности образуется структура, существенно

отличающаяся от низкотемпературной фазы. Результаты свидетельствуют, что процесс кристаллизации у поверхности тонких плёнок претерпевает существенные изменения по сравнению с объёмным образцом. В конце главы сформулированы основные выводы.

В седьмой главе представлены результаты исследования линейных ориентационных дефектов в свободно подвешенных неполярных и полярных плёнках.

Раздел 7.1 посвящен исследованиям 2я- и 7Г-стенок в плёнках неполярного смектика С в магнитном поле. 2 я- и я-стенки в магнитном поле в плёнках вшС исследованы впервые при различной ориентации магнитного поля относительно плоскости плёнок и ориентации стенок относительно направления поля в плоскости плёнок. В поле, наклонённом по отношению к плоскости плёнки, образуются 2я-стенки. В магнитном поле, параллельном плоскости плёнки, наблюдаются я-стенки. Обнаружено, что структура 2я-стенки существенно зависит от наклона магнитного поля относительно плоскости плёнки (рисунок 12). При уменьшении наклона ширина 2я-стенки увеличивается. Уширение происходит преимущественно в центральной части стенки и 2я-стенка распадается на две я-стенки.

Рисунок 12. (а) Трансформация структуры 2я-стенки при изменении угла наклона магнитного поля а относительно плоскости плёнки: а=15° (1), а=9° (2), а=1.5° (3). При изменении ориентации поля происходит непрерывная трансформация 2я-стенки в две я-стенки. Фотографии сняты в отражённом свете при скрещенных поляризаторах. Магнитное поле перпендикулярно 2я-стенке. N=7, Т=53°С. (Ь) Зависимость ширины 2я-стенки от угла наклона в двухслойной плёнке (точки). Кривая - теоретическая зависимость. ГГГБ. Из работы (5).

К;

В I......"

ЦП;:

Структура стенок зависит от их ориентации относительно направления поля в плоскости плёнки, что связано с различием двумерных констант ориентационной упругости продольного изгиба Кв и поперечного изгиба К$. Из структуры стенок определены двумерные упругие константы Кв и Величина К$ оказалась порядка 3.5-10"6 эрг/см, Кв около 1 • 10"6 эрг/см.

Раздел 7.2 посвящен исследованию линейных дефектов в тонких плёнках антисегнетоэлектрика в электрическом и магнитном поле. 2л-стенки в плёнках исследованы в электрическом поле. Структура стенок зависит от ориентации стенки относительно направления поля и от чётности числа слоёв в плёнке. В тонких плёнках антисегнетоэлектрического жидкого кристалла впервые исследованы я-стенки в магнитном поле. Определена анизотропия ориентационной упругости в плёнках антисегнетоэлектрика. Отношение величин ориентационных упругих констант в плёнках с чётным числом слоёв К$1Кв~Ъ близко к отношению констант в неполярных плёнках. Стенки играют важную роль в переориентации с-директора при изменении направления внешнего поля.

В разделе 7.3 описываются результаты исследования зависимости внутрислоевой ориентационной упругости смектика от поляризации. Для определения анизотропии ориентационной упругости исследованы периодические структуры в поле с-директора. В полярных плёнках периодические структуры получены приложением к плёнке переменного электрического поля. Для изучения зависимости ориентационной упругости от поляризации в экспериментах использованы смеси хиральных изомеров ПВвМНОВ. Определена зависимость анизотропии двумерной упругости Кв/К$ от содержания хирального изомера и поляризации. Отношение Кв/Кц увеличивается более чем на порядок при увеличении поляризации, что связывается с вкладом поляризационных зарядов в упругость. Полученные результаты согласуются с теоретическими предсказаниями.

В разделе 7.4 приведены результаты исследования переходного слоя между свободно подвешенной смектической плёнкой и объёмным материалом (рисунок 13). Ранее в мениске плёнок ЭтС и втС* наблюдалось образование модулированной структуры [19,20], однако с чем связана модуляция, природа и причины ее образования оставались невыясненными. В диссертационной работе проведены систематические исследования модулированных структур. С помощью впервые использованной ин-

34

терферометрии в отраженном свете и атомно-силовой микроскопии показано, что модуляция связана с изгибом профиля поверхности. Изучена зависимость модуляции от температуры и толщины образца. При уменьшении толщины мениска полосы (рисунок 13а,Ь) разветвляются, период модуляции уменьшается. В плёнке однородной толщины модулированные структуры не наблюдаются. Модуляция также исчезает при нагреве образца в смектическую А фазу (рисунок 1 Зс,с1). В диссертации обсуждаются возможные механизмы, ответственные за возникновение модуляции.

Рисунок 13. Образование и трансформация модулированной структуры мениска в полярных плёнках 8СЕ-9. (а,Ь) плёнка в БтС* фазе, Т=37.5°С (а), Т=67°С (Ь). На вставке показан фрагмент модулированной структуры в увеличенном масштабе. (с) плёнка непосредственно выше температуры перехода 8тС*-8тЛ в объёмном образце, Т=70°С; (с1) плёнка в 8тЛ фазе, Т=74.5°С. Фотографии сняты в проходящем свете с рас-крещенными поляризатором и анализатором. Из работы (24).

В конце главы сформулированы основные выводы.

В восьмой главе представлены результаты изучения стабильности свободно подвешенных плёнок смектических жидких кристаллов. Неустойчивость слоевой структуры может возникнуть при нагреве плёнки вблизи температур послойных переходов утоньшения, а также при внешних воздействиях, таких как освещение плёнки.

В разделе 8.1 приводятся результаты определения энергии взаимодействия поверхностей плёнок в области температур структурной неустойчивости плёнок, приводящей к переходам утоньшения. В качестве сенсора использованы капли высокотемпературной фазы, находящиеся в плёнках. Форма капель зависит от поверхностной энергии плёнки тм, точнее, от разности между поверхностной энергией плёнки ты и объёмного образца ть.

Рисунок 14. (тм-ть)/т в области температур послойного утоньшения смектической плёнки. и ть - поверхностная энергия плёнки и объёмного образца. N - число молекулярных слоёв в плёнке. При нагреве и приближении к температуре утоньшения (тм-ть)/т увеличивается и скачкообразно уменьшается (стрелки) при переходах утоньшения. Квадратами на вставке показаны данные для плёнки толщиной 19 слоёв в широком интервале величин (тк-ть)/т. 11В8МНОВ. Из работы (10).

Обнаружено, что при приближении к температуре утоньшения диаметр капель резко увеличивается, краевой угол уменьшается. После утоньшения плёнки диаметр капель уменьшается. Форма капель может служить критерием близости плёнки к температуре неустойчивости. Из формы капель определено отношение (тм-ть)/т, которое может служить

О

16 15 "

110.6 111.0 111.4 111.8

ТетрегаШге (°С)

мерой взаимодействия поверхностей плёнок, где т=(Ты+гь)/2. Зависимость (ты-ть)/т от температуры приведена на рисунке 14 для плёнок различных толщин. Абсолютная величина отношения при повышении температуры уменьшается. Разность (тм-ть), при которой происходит утоньшение, составляет величину порядка 10'3 поверхностной энергии. Утоньшение сопровождается скачкообразным уменьшением (тм-ть), что приводит к стабилизации слоевой структуры.

Раздел 8.2 посвящён исследованию обнаруженного эффекта утолщения свободно подвешенных плёнок фоточувствительных жидких кристаллов 7Р2А и 12Р2А при освещении. Явление наблюдалось на веществах, молекулы которых при освещении испытывают транс-цис конфигурационный переход. При интенсивности света выше некоторого порога в освещённой области образуется участок большей толщины (остров). Образующийся остров толще плёнки на целое число слоёв. При постоянном освещении остров увеличивается в размерах. Утолщение может происходить послойно. Эффект является обратным по отношению к известному и активно исследуемому эффекту утоньшения свободно подвешенных плёнок при нагревании. Утолщение плёнки при освещении неожиданно, поскольку температурная область стабильности плёнок уменьшается с увеличением толщины, т. е. в рамках существовавших представлений утолщение без изменения состояния плёнки должно способствовать потере ее стабильности.

Предложена модель, объясняющая наблюдающийся эффект. В фоточувствительной плёнке есть дополнительный характеризующий систему параметр - концентрация г/ис-изомера. В освещённой области плёнки концентрация цис-изомера увеличивается, что приближает плёнку к точке нестабильности. Стабилизация структуры при утолщении может происходить за счёт переноса вещества из неосвещённой области. В результате в освещённой области концентрация г/нс-изомера понижается, что уводит плёнку от точки неустойчивости. Таким образом, вблизи температур структурной нестабильности плёнок можно наблюдать целый ряд необычных явлений, приводящих к диаметрально противоположному поведению плёнок: их утоньшению и утолщению. В конце главы приведены основные выводы.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

1. Исследована самоорганизация частиц (топологических диполей) в полярных свободно подвешенных смектических плёнках с топологическим дефектом на границе частиц. В полярных плёнках топологический дефект может располагаться как в плёнке рядом с частицей, так и на границе частиц. Обнаружено, что топологический дефект может находиться на различных расстояниях от частицы и перемещаться из плёнки на границу частицы, что приводит к изменению равновесных межчастичных расстояний в образованных частицами структурах. Дано объяснение обнаруженному эффекту.

2. В смектических плёнках получены новые, не наблюдавшиеся ранее структуры из частиц, в том числе двумерные структуры с гексагональным и квадратным упорядочением. Получены димеры из частиц с противоположно направленными топологическими дипольными моментами.

3. Обнаружено, что хиральность приводит к кардинальному изменению межчастичных взаимодействий в свободно подвешенных смектических пленках. Впервые исследования самоорганизации проведены в пленках, образованных рацемической смесью оптических изомеров и хиральными изомерами, что позволило обнаружить эффекты, связанные с хирально-стью. На смесях хиральных изомеров показано, что при одних и тех же граничных условиях на поверхности частиц в нехиральных пленках образуются частицы с квадрупольным взаимодействием, в хиральных пленках — частицы дипольного типа. Дано объяснение наблюдаемому эффекту, связанное с наличием линейной упругости поля молекулярного упорядочения в плёнках с нарушением зеркальной симметрии.

4. В полярных смектических плёнках получены частицы с различным вкладом дипольного и квадрупольного взаимодействия в общее взаимодействие частиц. Обнаружен распад топологических дефектов на границе частиц (на два, четыре дефекта). При различных положениях дефектов на границе частиц впервые осуществлено изменение межчастичных расстояний в самоорганизующихся цепочках из частиц более чем в три раза.

5. В смектических плёнках при изменении температуры реализовано изменение направления топологического дипольного момента частиц на противоположное. Обнаруженный эффект позволил трансформировать межчас-

тичное взаимодействие, в частности, притяжение между частицами изменять на отталкивание.

6. С использованием модели Ландау фазовых переходов с двухкомпонент-ным параметром порядка проведён расчёт полярных смектических структур. Пространственное изменение фазы и модуля параметра порядка может приводить к образованию многообразия полярных структур. В расчётах получены последовательности структур при изменении температуры, соответствующие экспериментально наблюдаемым. С использованием модели Ландау фазовых переходов показана возможность существования антисег-нетоэлектрика с шестислойной периодичностью. Шестислойная структура была обнаружена американской группой в Брукхевенской национальной лаборатории.

7. Рассчитана раскрутка спирали антисегнетоэлектрического жидкого кристалла во внешнем электрическом поле. Показано, что зависимости периода структуры от поля и критического поля раскрутки спирали от материальных параметров кардинальным образом отличаются от известных ранее зависимостей в сегнетоэлектрике. Рассчитана структура солитона в анти-сегнетоэлектрике, его эволюция при изменении поля.

8. Рассчитана трансформация во внешнем поле короткошаговой спирали ЭтС*,, с сегнетоэлектрическим типом упорядочения, образованной в результате фрустрационного межслоевого взаимодействия. Переход в плоскую структуру может кардинальным образом отличаться от рассматривавшегося ранее механизма раскрутки спирали, образованной хиральным взаимодействием. Происходит переход в модулированную структуру, период которой при изменении поля остаётся конечным. Плоская структура образуется посредством уменьшения амплитуды модуляции.

9. Впервые в свободно подвешенных смектических плёнках в магнитном поле наблюдались как 2л-, так и 7г-стенки, определена структура л-стенок в магнитном поле. Структура стенок существенно зависит от их ориентации относительно направления поля. Впервые наблюдался распад 2я-стенки на две л-стенки при изменении ориентации магнитного поля относительно плоскости пленки. Определены анизотропия двумерной ориентационной упругости поля молекулярного упорядочения и ориентационные упругие константы в сверхтонких неполярных смектических плёнках. Изучена зависимость анизотропии ориентационной упругости смектического С* жидкого кристалла от поляризации.

10. Обнаружены и изучены переходы, индуцированные поверхностью и ограниченным размером образцов с образованием структур, не наблюдающихся в объёмных образцах. В тонких плёнках, обладающих низкотемпературной антисегнетоэлектрической фазой, при высокой температуре вместо короткошаговой спиральной структуры образуется ряд планарных структур. Изучены переходы в сверхтонких плёнках вещества, обладающего промежуточной сегнетиэлектрической фазой.

11. Исследовано влияние поверхности на кристаллизацию в тонких свободно подвешенных плёнках смектического С жидкого кристалла. В поверхностных слоях плёнок может происходить двустадийная кристаллизация, при которой поверхность индуцирует переход в промежуточную структуру, отсутствующую в объёмном образце.

12. Обнаружены эффекты, связанные с устойчивостью слоевого упорядочения свободно подвешенных плёнок. Обнаружено утолщение плёнок фоточувствительного жидкого кристалла при освещении, обратное известному и широко исследуемому эффекту утоныпения плёнок. Предложено объяснение наблюдаемого явления. Определена энергия взаимодействия поверхностей плёнки в области переходов утоньшения. Скачкообразное изменение энергии при утоньшении приводит к стабилизации слоевой структуры. Обнаружена периодическая модуляция высоты переходного слоя (мениска) между полярной свободно подвешенной смектической плёнкой и объёмным материалом.

Список основных публикаций по теме диссертации:

1. Dolganov, P.V. Optical reflectivity study of synclinic and anticlinic structures in thin freely suspended smectic films / Dolganov P.V., Goodby J.W., Seed A. // Eur. Phys. J. E. - 2000. - V. 3. - No. 1. - P. 7-10.

2. Dolganov, P.V. Structural transitions in thin free-standing films of an antiferroelectric liquid crystal exhibiting the smectic-C*a phase in the bulk sample / Dolganov P.V., Suzuki Y., Fukuda A. // Phys. Rev. E. - 2002. -V. 65. - No. 3. - P. 031702-1-031702-7.

3. Dolganov, P.V. Temperature- and Field-Induced Transitions in Freestanding Films of an Antiferroelectric Liquid Crystal / Dolganov P.V., Demikhov E.I., Suzuki Y., Fukuda A. // ЖЭТФ. - 2002. - T. 122. - № 4. -C. 840-848.

4. Dolganov, P.V. Polar Smectic Subphases: Phase Diagrams, Structures and X-ray Scattering / Dolganov P.V., Zhilin V.M., Dmitrienko V.E., Kats E.I. // Письма в ЖЭТФ. - 2002. - T. 76. - № 8. - С. 579-582.

5. Долганов, П.В. Ориентационные дефекты в свободно подвешенных смектических С плёнках / Долганов П.В., Болотин Б.М. // Письма в ЖЭТФ. - 2003. - Т. 77. - № 8. - С. 503-508.

6. Dolganov, P.V. Structures and phase transitions in polar smectic liquid crystals / Dolganov P.V., Zhilin V.M., Dolganov V.K., Kats E.I. // Phys. Rev. E. - 2003. - V. 67. -No. 4. - P. 041716-1-041716-12.

7. Dolganov, P.V. Collective behaviour of light-induced droplets in smectic membranes / Dolganov P.V., Demikhov E.I., Dolganov V.K., Bolotin B.M., and Krohn K. // Eur. Phys. J. E. - 2003. - V. 12. - No. 4. - P. 593597.

8. Dolganov, P.V. 2л and л walls in antiferroelectric Smectic-C*A and Smec-tic-C free-standing films / Dolganov P.V., Bolotin B.M., and Fukuda Atsuo // Phys. Rev. E. - 2004. - V. 70. - No. 4. - P. 041708-1-041708-6.

9. Bougrioua, F. Light-Induced Layer by Layer Thickening in Photosensitive Liquid Crystal Membranes / Bougrioua F., Cluzeau P., Dolganov P., Joly

G., Nguyen H.T., Dolganov V.K. // Phys. Rev. Lett. - 2005. - V. 95. -No. 2. - P. 027802-1-027802-4.

10. Dolganov, P.V. Interaction of surfaces in smectic membranes and their instability near thinning transitions / Dolganov P.V., Cluzeau P., Joly G., Dolganov V. K., Nguyen H. T. // Phys. Rev. E. - 2005. - V. 72. - No. 3. -P. 031713-1-031713-5.

11. Dolganov, P.V. Ferroelectricity-induced effects in interaction and self-organization of inclusions in smectic membranes / Dolganov P.V., Nguyen

H.T., Joly G., Dolganov V.K., and Cluzeau P. // Europhys. Lett. - 2006. -V. 76.-No. 2.-P. 250-256.

12. Dolganov, P.V. Structures and orientational transitions in thin smectic films of tilted hexatic / Dolganov P.V., Belov K.I., Dolganov V.K., Demikhov E.I., Bolotin B.M., and Kats E.I. // ЖЭТФ. - 2006. - T. 129. -№4.-С. 700-709.

13. Dolganov, P.V. Director configuration and self-organization of inclusions in two-dimensional smectic membranes / Dolganov P.V., Dolganov V.K. // Phys. Rev. E. - 2006. - V. 73. - No. 4. - P. 041706-1-041706-10.

14. Dolganov, P.V. Rearrangement of topological defects and anchoring on the inclusion boundary in ferroelectric smectic membranes / Dolganov P.V., Nguyen H.T., Kats E.I., Dolganov V.K., and Cluzeau P. // Phys. Rev. E. - 2007. - V. 75. - No. 3. - P. 031706-1-031706-8.

15. Dolganov, P.V. Shape of nematic droplets in smectic membranes / Dolganov P.V., Nguyen H.T., Joly G., Dolganov V.K., and Cluzeau P. // Europhys. Lett. - 2007. - V. 78. -No. 6. - P. 66001-1-66001-5.

16. Долганов, П.В. Стабильность свободно подвешенных жидкокристаллических плёнок, измерение энергии взаимодействия поверхностей плёнок / Долганов П.В., Нгуен Х.Т., Джоли Ж., Кац Е.И., Долганов В.К., Клузо Ф. // ЖЭТФ. - 2007. - Т. 132. - № 3. - С. 756-764.

17. Dolganov, P.V. Different mechanisms of nucleation and self-organization of droplets in ferroelectric smectic membranes / Dolganov P.V., Nguyen H.T., Joly G., Dolganov V.K., and Cluzeau P. // Eur. Phys. J. E. - 2008. -V. 25.-No. 1.-P. 31-37.

18. Dolganov, P.V. Field-induced structures and transitions in chiral antifer-roelectric liquid crystals / Dolganov P.V., Zhilin V.M. // Phys. Rev. E. -2008. - V. 77. -No. 3. - P. 031703-1-031703-6.

19. Dolganov, P.V. Influence of chirality on director configuration and droplet interaction in ferroelectric free-standing films / Dolganov P.V., Cluzeau P. // Phys. Rev. E. - 2008. - V. 78. - No. 2. - P. 021701-1-021701-4.

20. Dolganov, P.V. Dimer structures formed in smectic films by inclusions with parallel and antiparallel topological dipole moments / Dolganov P.V., Kats E.I., Dolganov V.K., Cluzeau P. // Письма в ЖЭТФ. - 2009. -Т. 90.-№5.-С. 424-428.

21. Dolganov, P.V. Stepwise transition of a topological defect from the smectic film to the boundary of a dipolar inclusion / Dolganov P.V., Kats E.I., Cluzeau P. // Phys. Rev. E. - 2010. - V. 81. - No. 3. - P. 031709-1031709-6.

22. Dolganov, P.V. Unwinding of the antiferroelectric helix in an electric field /Dolganov P.V., Zhilin V.M.//Phys. Rev. E.-2010.-V. 81.-No. 5.-P. 051704-1-051704-5.

23. Dolganov, P.V. Commensurate polar smectic structures with a two-component order parameter / Dolganov P.V., Zhilin V.M., Dolganov V.K., Kats E.I. // Phys. Rev. E. - 2010. - V. 82. - No. 4. - P. 040701(R)-1-04070 l(R)-4.

24. Loudet, J.-C. Undulation Instabilities in the Meniscus of Smectic Membranes / Loudet J.-C., Dolganov P.V., Patricio P., Saadaoui H., Cluzeau P. //Phys. Rev. Lett.-201 l.-V. 106.-No. 11.-P. 117802-1-117802-4.

25. Dolganov, P.V. Manifold of polar smectic liquid crystals with spatial modulation of the order parameter / Dolganov P.V., Zhilin V.M., Dolganov V.K., Kats E.I. // Phys. Rev. E. - 2011. - V. 83. - No. 6. -P. 061705-1-061705-7.

26. Долганов, П.В. Двухстадийная кристаллизация на поверхности смек-тических наноплёнок / Долганов П.В., Белов К.И., Долганов В.К. // Письма в ЖЭТФ. - 2011. - Т. 93. - № 12. - С. 813-817.

27. Dolganov, P.V. Landau Model of the Phase Transitions for Description of Commensurate Polar Smectic Structures / Dolganov P.V. // Ferroelectrics. — 2012. - V. 431.-No. 1,-P. 21-31.

28. Dolganov, P.V. Structure of л- and 2n-walls in smectic films / Dolganov P.V., Dolganov V.K., Cluzeau P. // Письма в ЖЭТФ. - 2012. - T. 96. -№5.-С. 347-351.

29. Dolganov, P.V. Field-induced transitions between multilayer phases of polar smectic liquid crystals / Dolganov P.V., Zhilin V.M., Dolganov V.K., Kats E.I. // Phys. Rev. E. - 2012. - V. 86. - No. 2. - P. 020701(R)-1-02070 l(R)-4.

30. Долганов, П.В. Закономерности образования полярных смектических фаз при фрустрационном взаимодействии / Долганов П.В., Жилин

B.М., Кац Е.И. // ЖЭТФ. - 2012. - Т. 142. - № 6. - С. 1297-1308.

31. Dolganov, P.V. The effect of spontaneous polarization on two-dimensional elasticity of smectic liquid crystals / Dolganov P.V., Dolganov V.K., Cluzeau P. // ЖЭТФ. - 2013. - T. 143. - № 6. - С. 12091216.

32. Dolganov, P.V. Electric-field-induced transition from helical to planar smectic structures without helix unwinding / Dolganov P.V., Zhilin V.M. // Phys. Rev. E. - 2013. - V. 87. - No. 6. - P. 062505-1-062505-4.

33. Долганов, П.В. Трансформация структуры смектических жидких кристаллов, связанная с фрустрацией и с поверхностью сверхтонких плёнок / Долганов П.В. // Письма в ЖЭТФ. - 2014. - Т. 100. - № 1. -

C. 64-75.

Список цитированной литературы

[1] Poulin P., Stark Н., Lubensky Т. С., and Weitz D. A. Novel colloidal interactions in anisotropic fluids. // Science 1997. V. 275. No. 5307. P. 1770-1773.

[2] Takezoe H., Gorecka E., and Cepic M. Antiferroelectric liquid crystals: Interplay of simplicity and complexity. // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. No. 1. P. 897-937.

[3] Mach P., Pindak R., Levelut A.-M., Barois P., Nguyen H. Т., Nguyen H. Т., Huang С. C. and Furenlid L. Structural Characterization of Various Chiral Smec-tic-C Phases by Resonant X-ray Scattering. // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81. No. 5. P. 1015-1018.

[4] Cluzeau P., Poulin P., Joly G., and Nguyen H.T. Interactions between colloidal inclusions in two-dimensional smectic-C* films // Phys. Rev. E 2001. V. 63. No. 3. P. 031702-1-031702-4.

[5] Cluzeau P., Joly G., Nguyen H.T., and Dolganov V.K. Two-dimensional ordering of inclusions in smectic-C films. // Письма в ЖЭТФ 2002. Т. 75. № 9. С. 573-577.

[6] Gorkunov М., Pikin S., and Haase W. Theoretical analysis of the resonant X-ray and optical scattering in the ferrielectric phases of chiral smectic liquid crystals. // Письма в ЖЭТФ 2000. Т. 72. № 2. С. 81-85.

[7] Cepic М. and ZekS В. Flexoelectricity and Piezoelectricity: The Reason for the Richness of Phases in Antiferroelectric Smectic Liquid Crystals. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. No. 8. P. 085501-1-085501-4.

[8] Emelyanenko A.V., Osipov M. Theoretical model for the discrete flexoelectric effect and a description for the sequence of intermediate smectic phases with increasing periodicity. // Phys. Rev. E 2003. V. 68. P. 051703-11051703-6.

[9] Stoebe Т., Mach P., and Huang C.C. Unusual Layer-Thinning Transition Observed near the Smectic-zi-Isotropic Transition in Free-Standing Liquid-Crystal Films. H Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. No. 10. P. 1374-1387.

[10] Mirantsev L. V. Theoretical description of layer-thinning transitions in freestanding smectic-Л films. // Phys. Lett. A 1995. V. 205. No. 5-6. P. 412-418.

[11] Городецкий E.E., Пикина E.C., Поднек В.Э. Дискретное утоныцение свободно подвешенных смектических плёнок в модели де Жена «пре-смектической жидкости». // ЖЭТФ 1999. Т. 115. № 1. С. 61-69.

[12] Picaño F., Oswald P., and Kats E. Disjoining pressure and thinning transitions in smectic-Л liquid crystal films. // Phys. Rev. E 2001. V. 63. No. 2. P. 021705-1-021505-9.

[13] De Jeu W. H., Ostrovskii B. L., and Shalaginov A. N. Structure and fluctuations of smectic membranes. // Rev. Mod. Phys. 2003. V. 75, No. 1. P. 181-235.

[14] Ларкин А.И., Овчинников Ю.Н. Неоднородное состояние сверхпроводников.//ЖЭТФ 1964. Т. 47. №3. С. 1136-1146.

[15] Fernandes P., Barois P., Grelet Е., Nallet F., Goodby J. W., Hird M., and Micha J.-S. Extension of the resonant scattering technique to liquid crystals without resonant element. // Eur. Phys. J. E 2006. V. 20. No. 1. P. 81-87.

[16] Wang S., Pan L., Pindak R., Liu Z.Q., Nguyen H.T., and Huang C.C. Discovery of a Novel Smectic-C* Liquid-Crystal Phase with Six-Layer Periodicity. // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. No. 2. P. 027801-1-027801-4.

[17] Link D. R., Maclennan J. E., and Clark N. A. Simultaneous Observation of Electric Field Coupling to Longitudinal and Transverse Ferroelectricity in a Chiral Liquid Crystal. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. No. 11. P. 2237-2240.

[18] Maclennan J.E., Sohling U., Clark N., and Seúl M. Textures in hexatic films of nonchiral liquid crystals: Symmetry breaking and modulated phases. // Phys. Rev. E 1994. V. 49. No. 4. P. 3207-3224.

[19] Meyer R. and Pershan P. S. Surface polarity induced domains in liquid crystals. // Solid State Comm. 1973. V. 13. No. 7. P. 989-992.

[20] Harth K. and Stannarius R. Corona patterns around inclusions in freely suspended smectic films. // Eur. Phys. J. E 2009. V. 28. No. 3. P. 265-272.

Подписано в печать:

27.07.2015

Заказ № 10876 Тираж - 150 экз. Печать трафаретная. Объем: 2,1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru