Стабильность и оптическая память в тонких слоях сегнетоэлектрических жидких кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГб од

5 / ИЮЛ 1393

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ.

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ПАНАРИН Юрий Петрович

БИСТАБИЛЬНОСТЬ И ОПТИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ В ТОНКИХ СЛОЯХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ.

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА -1333

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте органических полупродуктов и красителей МНПО "НИОПИК"

Научные руководители: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник В.Г.Чигринов

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник М.И.Барник.

Официальные оппоненты: доктор технических наук..

старший научный сотрудник М.Ф.Гребенкин.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.В.Беляев.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Е.П.Пожидаев

Ведущая организация: Институт кристаллографии РАН.

Защита состоится" ¿¿/{У^сЯ 1593 г. на заседании специализированного совета К.063 93 02 при Московском институте приборостроения по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка. 20, в /е ч. СО мин

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МИП. Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук Баландин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ.

Актуальность темы: Интерес к изучению Жидких Кристаллов (ЖК) значительно возрос после открытия Мейером в 1974 г. сегне-тоэлектричества в наклонных хиральных смекткческих жидких кристаллах. Сегнетоэлектрические смектические С» Жидкие Кристаллы (С»ЖК) с момента их открытия сразу же стали объектом фундаментальных научных исследований благодаря уникальному для жидкостей свойству - наличии спонтанной поляризации. Новый вспласк з изучении С*1К возник после обнаружения Кларком и Лагерволлом в 1980 г. электрооптического эффекта в поверхностно-стабилизированных ОЖК (ПССЖК) ячейках. Вследствие линейного взаимодействия спонтанной поляризации с электрическим полем и малой вращательной вязкости С-директора электрооптичаский эффект в С*ЖК обладает значительно (в 100-1000 раз) большим быстродействием в сравнении с нематиче-скими ЖК, а также бистабильностью - оптической памятью после выключения электрического поля. Благодаря этим свойствам С»ЖК привлекают внимание разработчиков дисплейной техники, как к рабочей среде в плоских высокоинформативных экранах быстросмзняюашйся информации, таких как компьютерные дисплеи гсл-разрешения и телевизионные экраны, работающие в полном телевизионном стандарте. Применение С*ЖК в устройствах оптической обработки информации также является перспективным. В сравнении с аналогичными системами на нематических ЖК такие устройства обладают более высоким временным разрешением и оптической памятью. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы могут применяться в электрически управляемых светофильтрах, светорассеивающих устройствах, оптически управляемых транспарантах, векторных оптических процессорах, устройствах

памяти и т.д. '

В настоящее время исследования ОКК идут по следующим основным направлениям:

-создание С*ЖК смесей, обладающих широким рабочим интервалом температур, высоким быстродействием, химической и термодинамической устойчивостью;

-исследование условий и разработка методов достижения наднж-ной и устойчивой во времени бистабильности (оптической памяти);

-разработка методов качественной ориентации С»ЖК на больших площадях.

Нелью работы является поиск и исследование условий достижения бистабильности олектрооптического отклика ОЖК ячеек, что включает в себя решение следующих конкретных задач:

-исследование зависимости бистабилышх свойств С»1К ячеек от физических параметров С*ЖК материала, геометрии ячейки и режима управления;

-разработка новых методов исследования С*ЖК смосей.

■ Научная новизна работы заключается в следующем: ¡.Обнаружена и исследована связь между способами упаковки смектических слоев и олектрооптических, диалогических и биста-бильных свойств С«КК ячеек. Предложены два различных метода реализации бйстабильной структуры ОЖК ячейки.

2.Разработаны ' критерии, характеризующие динамические и статические свойства бистабильности ОЖК ячеек. На основе атих критериев проведено комплексна экспериментальное исследование зависимости бистабильности от различных параметров ОЖК материала, параметров ячейки и управляющих напряжоний.

3.Впервые обньружшш четыре независимых релаксационных

процесса в диэлектрическом поведении С*ЖК ячейки, соответствующие "голдстоуновскоЯ" моде. Исследована связь этих процессов с электрооптикой и упаковкой скептических слоев.

4.Обнаружена и исследована частотная дисперсия коэрцитивной силы гистерезиса С«КК ячеек в кнфра-низкочастотной области П0~4-Ю_1Гц) На основе модели деполяризационного поля примесных зарядов разработан метод измерения статической петли гистерезиса.

5. Предложены методы оценки различных видов энергии сцепления. Впервые доказано влияние энергии поверхностного сцепления (энергии Берромана) нз Оистабильность и гистерезисние свойства С*ЖК ячеек.

Практическая значимость результатов, полученных в работе:

¡.Разработана оригинальная экспресс-методика измерения основная физических параметров С*ЖХ-маториалэ, таких как величина спонтанной поляризации <р времена переключения гг/, электропроводность ta), диэлектрическая постоянная (с). Отличительными особенностями методики являются простота, высокая точность и скорость проведения измерений.

2. Разработаны критерии и методы описания бистабильных свойств ОКК ячеек. Проведены комплексные исследования условий существования бистайильности в С*ЖК-ячеЯках. Найдена область физических параметров ОЖК, в которой достигается бистабильность. fía основе экспериментальных данных разработаны практические рекомендации для создания к производства плоских экранов быстросменявдейся информации.

3. Предложен и запатентован новый класс С*ЖК-материадов с малым шагом спирали геликоида и высокой спонтанной поляризацией в качестве перспективных материалов для мультиплэксных экранов.

На защиту выносятся следующие положения:

I.БистаОильность С*ЖК ячеек зависит, в первую очередь, от способа упаковки смектических слоов в ячейке. Предложено два метода достижения бистабилыюй структуры с ортогональными арктическими слоями.

2.Частотная дисперсия коэрцитивной силы гистерезиса С»ЖК ячеек в кнфра-низкочастотной области (10~4-Ю_1Гц) обусловлена деполяризующим полем при разводке ионов проводимости к электродам.

3.Четыре различных релаксационных процесса в диэлектрическом отклика произвольных С*ЖК ячеек соответствуют электрооптическим модам различных надмолекулярных структур.

4.Единственным фактором, ответственным за бистабильность С*ЖК ячеек, является дисперсионная часть энергии сцепления. ' К факторам, препятствующим бистабильности, относятся полярная часть энергии сцепления, энергия Берремана (поверхностного сцепления), деполяризующее поле поляризационных зарядов.

Апробация работы

7-я Всесоюзная конференция по жидким кристаллам, Чернигов, 1907 г.

8-я Конференция социалистических стран по Жидким Кристаллам, Краков, 1989 г.

2-й Международный симпозиум по Сегнвтоэлектрическнм Жидким Кристаллам, Гетеборг, 1989 г^

Международная рабочая встреча по жидким кристаллам "Белые ночи", Ленинград, июнь 1991 г.

14-я Международная конференция по Жидким Кристаллам, Пиза,

Италия, июнь 19Э2г.

Европейская конференция по Жидким Кристаллам, Флимс, Швейцария, март 1993 г.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем работы - 113 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Бо введении обоснована актуальность вопросов, решаемых в диссертационной работе, поставлена цель работы, сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту, дано краткое описание глав диссертации.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В главе даются общие сведения о сегнетоэлектрических смектических С» жидких кристаллах. Приводится обзор работ по электрооптике С*ЖК с момента их открытия в 1975г. Анализируются работы по методам измерения параметров С»ЖК. Особое внимание уделяется публикациям, посвященным способам ориентации С»ЖК, исследованию бистабильности электрооптического отклика. Систематизированы экспериментальные и теоретические работы по энергии сцепления С»ЖК с твердой поверхностью и ее связи с бистабильными свойствами ячеек.

В этой главе описываются объекты исследований -сегнвтоэлектрические жидкокристаллические материалы и химические компоненты, входящие в состав С»ЖК смесей.

Исследуемые смеси состоят из нескольких матричных компонентов - нехиралышх смектиков С ¡ятС) и одной либо нескольких оптически активных (хиральных) добавок, которые сами по себе могут но обладать какими-либо жидкокристаллическими мезофазами. Такой, ставший ныне классическим, способ позволяет создавать С»Ж1С материалы с широким температурным диапазоном зше фазы, а также сравнительно легко варьировать основные параметры С»ЖК , такие как величина спонтанной поляризации (Р )> шаг спирали геликоида 1ро), угол наклона молекул в смыктичоском слое (о). При выборе нехиралышх яшс компонентов учитывались такие факторы, как широкий температурный диапазон существования фазы, отсутствие более упорядоченных низкотемпературных фаз, способность эвтектического смешивания с другими компонентами ОЖК материала, низкая вязкость и т.д. Исходя из этих требований, в качестве матричных компонентов использовались вещества (синтезированные в МНПО "НИОГШК") из классов алкил алкокси фенилпиримидинов и сложных зфиров.

При выборе Оптически Активных Добавок (ОАД) мы руководствовались такими требованиями, как способность индуцирования высокой величины спонтанной поляризации, высокая растворимость в вше матрица, низкая вязкость, стоимость.оптически активного сырья для их синтеза и т.д., Н качество хиральных компонентов использовались

сложные афаии торфопидлшсарбоновой киол«ли:

СИ, /* * .СИ.

, /с!100с-(0 )-(о)-( 0)-соосн\ 11=1!,3,4,5,6,в

».¡¡пИ I. 2п+1

- В •

Для компенсации геликоида, индуцируемого этими добавками, были синтезированы различные вещоства, о чем подробно изложено в этой главе диссертационной работы. Здесь же приведены параметры разработанных С»ЖК-смосей, которые использовались в эксперименте.

Во втором параграфе описаны методы приготовления С*ЖГС ячеек.

В третьем параграфе предложена оригинальная экспериментальная методика измерения параметров С»ЖК. Методика основана на интегрировании токов лерополяризации во время переключения С*1К ячейки с помощью конденсатора, подключенного к генератору последовательно с С* ДОС ячейкой. На рис.1а показана принципиальная электрическая схема измерения параметров С!КК. Ток и), проходящий через ячейку в момент смены знака электрического поля, состоит из суммы тока проводимости ^ ). емкостного тока (1с) и тока переполяризации (1р), обусловленного положением вектора спонтанной поляризация в пространстве. Этот ток интегрируется конденсатором С». Для устранения паразитного сигнала в схему вводится плечо, компенсирующее токи проводимости и перезарядки емкости ячейки. В этом случае на выходе дифференциального усилителя мы имеем сигнал, определяемый формулой:

р 3 г 1 ир(1) а соэ\ф(1)) <1>

где площадь ячейки, ф- азимутальный угол между вектором

спонтанной поляризации и нормалью к электродам ячейки. После

окончания процесса переключения выходное напряженна равно:

Г 5

откуда и определяется величина спонтанной поляризации. Вращательная вязкость вычисляется по формула:

1ф = 0.455 рае ь10_90 ■ 13,

где е - величина электрического поля в ячейке, г10_д0~ Фронт

Рис.1а. Принципиальная электрическая схема измерения параметров С*ЖК. я и с - сопротивление и емкость ячейки, г - сопротивление электродов, р - нелинейный элемент, обусловленный ориентацией вектора спонтанной поляризации в ячейке, С*- интегрирующая емкость, я', г', с' - элементы компенсации.

Пн11п«(П) 27.545/»»

РисЛб. Осциллограммы полного. отклика с ячейки (и), сигнала компенсационной цепи (V ) , а также, их разности. Обведенные рамкой величины соответствуют величине спонтанной поляризации (ир_р<п)) и времени переключения по уровням 10$ и 90Ж (г1аеЫше(П1).

переключения напряжения и по уровням 10? и 90$ от максимального.

Предложенный метод, в отличие от известных, позволяет простую автоматизацию измерений с помощью цифрового осциллографа, что и показано на рис.16.

В параграфе дается теоретическое обоснование методики. Подробно описаны преимущества и ограничения предложенной методики перед известными методами.

В четвертом параграфе главы описаны экспериментальные установки для исследования параметров и свойств С*ЖК.

ГЛАВА III.. ЭЛЕКГРООПТИЧЕСКИЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА С«ЖК ЯЧЕЕК.

В этой главе исследована связь электрооптических и диэлектрических свойств С*ЖК ячеек со способами упаковки смектических слоев в ячейки. Показано, что эти свойства в не меньшей степени зависят от параметров самой ячейки, чем от параметров С*ЖК-материала.

В первом параграфе описываются основные свойства линейного электрооптического эффекта, известного под названием эффекта Кларка-Лагерволла, для простейшей (идеализированной) •bookshelf" упаковки, в которой смектические слои перпендикулярны плоскости электродов ячейки.

Во втором параграфе рассмотрены электрооптические свойства реальных "свежеприготовленных" (т.е. до обработки электрическим полем) ячеек, толщина которых меньше чем шаг спирали геликоида С*ЖК. Показано, что параметры таких ячеек значительно отличаются от параметров ячеек в "bookshelf" геометрии. Основными свойствами "свежеприготовленных" ячеек являются: отсутствие порога электрооптического эффекта по напряжению; зависимость угла пере-

ключеиия (угла экстинкцик) от напряжения на ячейке; отсутствие задержки переключения и слабая зависимость времени переключения от напряжения на ячейке. Эти зависимости представлены на рис.2.

Рис.2.Зависимости угла (и) и времени (г) переключения и макроскопической (усредненной) поляризации ячейки (р*> от величины электрического поля (Е) для шеьроннсй упаковки С*ЖК ячейки на все-13 <с1-7ц, т-21°с, рз=зо нКл/см2;.

Подробное исследование структуры таких ячеек методом поляризационной спектроскопии, а также литературные данные показали, что смектические слои наклонены под углом 6 (5 4 о) к нормали электродов. Этст факт подтверждается рентгеновскими исследованиями, из которых следует, что могут существовать различные способы упаковки омектичеоких слоев: наклонная (рис.За), изогнутая (рис.30) и, так называемая, "шенронная" (с.ьеугоп! (рис.Зв), в

отличии от идеализированной упаковки с перпендикулярными слоями (рис.Зг).

и С

I'll

III! I 1 t 1 Ч Ч v

< < I

=1 С

» I

Рис.3.Основные типы упаковки смектических . слоев в С*ЖК ячейках.

В работе показано, что в гюврошшх ячейках вектор спонтанной поляризации не может стать параллельным вектору электрического поля без искажения наклонной упаковки смектических слоев. Таким образом, электрооптическнй эф'окт в "нетренированных" ячейках сопровождается смектических слоев, наряду с переключением молекул по конусу.

В третьем параграфе изложены результаты исследования электрооптических свойств ОЖК ячэак, толиина которых много больше шага спирали геликоида Ы» ро). В таких ячейках существует геликоидальная закрутка директора. При достаточно больших полях (Е i Ес, где Ес - поле раскрутки геликоида) ячейки проявляют электрооптические свойства, характерные для эффекта Кларка-Лагерволла, однако при малых полях (е < ес> эти свойства имеют свои особенности. Этот эффект, связанный с деформацией спирали геликоида и названный эффектом деформированного геликоида - duf (Deformed helix flc), был теоретически предсказан Островским и Чигркновым в

1979 г. и запатентован группой авторов "НИОПИК* и Hoffmann La Roche (Швейцария) в 1987 г. На рис.4 приведены полевые зависимости угла переключения («), макроскопической поляризации ячейки (р*) и времени переключения (г).

Рис.4.Полевые зависимости угла переключения (а), макроскопической (усредненной) поляризации ячейки (р*} и времени переключения (г) для хшк и линейной моды для ЖКС-ЗП.

Эти замечательные свойства вир эффекта позволяют использовать С«ЖК в новом качестве, как рабочие среды в электрически управляемых светофильтрах и светорассеивающих средах, низковольтных транспарантах и модуляторах света. В заключение следует отметить, что при полях близких к полю раскрутки возникают нелинейные эффекты, что выражается, в частности, в зависимости време-

ли переключения от напряжения и частоты.

Г! четвертом параграфа исследуется диэлектрическое поведение С*ЖК яч(шк на частотах 0.1 Гц - 1 МГц. Показано, что высокочастотный (0.1 -1МГп) процесс обусловлен мягкой (олектроклпнной) модой и подчиняется закону лебг,опекой релаксации:

- с

•г .V

с (и) с(1) + -3--, (1)

I * I IUI )

г ли i/i - характерная частота релаксационного процесса. ^ ;i сл--пизкочастотная и высокочастотная ( в сравнении с частотой i/t) чизлпктрическип восприимчивости. Полое интересно и сложно дизлок'ГрИ^аскоо пог.одоцио ячоск связ.-л.нов с голдотоуновской модой

в частотном диапазоне 0.1- ¡0000 Гц. Приведенные исследования покапали, что частотный дисперсии диэлектрической постоянной (г') а диэлектрических потерь U") сильно зависят от измерительного напряжения, томпер.чтурн. постоянного нппрялс.члл ешлония, а также Физических параметров ОЖК н ячейки, "сололопания выявили оукостзоиани.! до четырех рэлаксаппонных процессов н диэлектрическом отклике С«ЖК, связанных с динамикой С-дпректора - как линей -них (дебаевские), так и нелинейных.

Для разделения релаксационных процессов и выяснения их природы мы использовали совокупность плектрооптических, диэлектрических и микроскопических наблюдений совместно с компьютерными мотодамп. Это позволило нам выделить четыре типа релаксационных процессов и связать их различными плектрооптичоекпми модами в С*ЖК ячейках. ¡Сак и соотьегствующие им злектрооптические моды, описанные в этой главе, существование конкретных ргляксяцлоппмх процессов зависит от особенностей у»ако;,:сп емектгчеехих слоев в ячейке. сйотн»:,;<;П;!Л можлу толщиной ячейки и нагом спирали геликоида. величины измерительного напряжения.

ГЛАВА гг.

[^стабильность С»ЖК ячеек II методы ее исследования

В четвертой главе обсуждаются вопроси, связанные с корректным определением термина "бистабильность". Большое внимание уделяется определению критериев и параметров, характеризующих "качество" бистабилыюсти. Рассматриваются методы исследования бистабилыюс-ти, приводится их теоретическое обоснование.

В первом параграфе дается определенно бистабилыюсти. Такое внимание вызвано неоднозначными подходами различных авторов к атому вопросу. Различие подходов позволило выделить следующие типы бистабилыюсти: поверхностная бистабильность, шевронная бистабилыюсть, дисклинапионная бистабильность. Известна также бистабильность, достигаемая за счет диэлектрической стабилизации ОЖК с отрицательной величиной диэлектрической анизотропии д«-.. Кроме тоги, некоторые авторы предлагают использовать бистабильность между однородным и "твист" распределением директора и даже между двумя "твист"-состояниями. Нами дастся определение Аиста билыюсти, как способности ОЖК ячейки запоминать оба противоио ложно направленных оцнородпих. Состояния (распределения) директора мри выключении напряжения и замыкании электродов ячейки. В более утилитарном смысле под бисчабилыыстью обычно понимают способ ность запоминания уровней светопронуекания ОЖК ячейки.

Во втором параграф,) рассматриваются критерии, характеризующий бистабилышо свойства ОЖК ячеек. :Иот, на первый взгляд, простой вопрос но имеет однозначного ответа, так как при исследований бистабилыюсти алектр.оптических ячеек приходится сталкиваться с различными особенностями се проявления. На рис.Ь

- ю

показаны типичные формы электрооптического отклика С*ЖК-ячойки на знакопеременные прямоугольные импульсы грис.ба;. Как видно из рисунка, ячейка может обладать полной бистабильностып грис.56, сплошная линия;, неполной (рис.Св;, "пеевдо" - бистабильностыи грис.Ьгл моностабильнооты,) грис.56 пунктирная линия;, либо не обладать бистабилыюстыо срис.бдл

т

9ВУ.

п

г.

[I

п

лг

я

г

Рис.Ь.Основные типы злектроонтичнекого отклика 0»ЖК ячейки в скрашьниих поляроидах (б~д) на знакопеременные импульсы напряжения (а).

При а;ч>м псонлобиотйбильнистып грис.бг; обладают ячейки (ра * 4} н которых присутствует геликоид, все остальные типы отклика нчблюлаится на нонерхностнч стабилизированных ячейках (ро * а). Для характеристики динамических свойств бистабильности обычно примстится термин "пор.л"* Сиотабилыюсти. равный минимальной длительности биполярных имиулы.ин, необходимых для бистабилыгаго

переключения. Фактически порог бистабильности определяется временем полного переключения ячейки I. При больших <е > 5 в/ц) полях с л 1/е, а при меньших полях г а: 1/е2 Следует отметить, что динамический порог бистабильности применим как в случае поверхностно - стабилизированных ячеек (ро г <]), так и псевдо - бистаО;,л;,нил ячеек (ро « <]).

Волос интересной и сложной проблемой являются критерии, характеризующие "надежность" или "прочность" бистабильности. Для псевдо бпстабильних ячеек такой величиной является время бисга-бильности tíy рпс.ог.

о

Качество бистабильности удобно характеризовать параметром <з,

определяем;;,м (рпс.5в) из формуле:

-¡V К

с} = . ' (5)

4 1

В случае полной бистабильпости <?=ь а ь отсутствие бистабильности - 0=0. Наиболее внфоризтвм»;« параметром, характерна:;»,;;;'.;!,; :»опас прочноеги или устойчивости биотабильпоетн, является ыирина стати• ческой а,или I ;и:?ерг.зиса (ю и <ш ошмитричность (ьи). Этому параметру, вииду его г,гобой важности, поонямны слодукщие параграфы отой глава.

П третьем параг'раХй описаны проблемы измерения статического гистерезиса октичо.лсол; пропускания с «ЯК »ГчоЯк;! в скрацпшшх поляроидах. Виьрьии ибааружопа диолсрспл кооршппвпой сам ¡к/о от частоты прплслэнного напряжения е сбл^ст;: кнок::* частот г <о.1 Гц (рис.6.). Ки: слпдузг из глсспоргаентя. статическая петля гистерезиса ко достигается при уменьшении частоты. Ллл объяснения такого необычного поведения ми учли влияние дополлрпзуюего поля прпмзеньп ионов проводимости, возникайте при разводке йогов

и.в

3

2

1

а

-1-:-1-:_I_:_I__I >

в 1Й"* 1В"Э 18"2 10*1 18 е, Гц

Рис.6. Зависимость коэрцитивной силы от частоты внешнего напряжения для ячеек с различной толщиной слоя ориентанта (<!'): ■ - <¿'=650 X, □ - <1'=зоо%, о -с1'=гоо%, о - сГ =зо%. Сплошные линии - расчетные кривые, ■,□,0,0 - эксперимент.

к электродам во внешнем поле. Для описания процесса разводки примесных зарядов мы использовали простейшее уравнение непрерывности без учета процессов ионизации и рекомбинации. Решая численно связанную систему уравнений мы получили серии зависимостей ец) от различных параметров: частоты г, внешнего напряжения у , подвижности ¡1 и концентрации п ионов. Расчет показал, что в зависимости от частоты изменения внешнего напряжения внутреннее поле может быть как больше, так и меныге внешнего, что приводит к изменению коэрцитивной силы. При расчете дисперсионных кривых использовались экспериментально измеренные значения по (5-Ю14 -5-Ю15 см"3) и ч (КГ9 - 1СГ8 см2 сек~!В~'). Как видно из рис.6 расчетные кривые дисперсии коэрцитивной силы хорошо совпадают .с экспериментальными точками, кроме того, заметим, что близкие к

"статическим" петля гистерезиса получаются при частоте 0.01 Гц.

3 заключение отмстим, что статический гистерезис оптического пропускания С*ЖК ячейки содержит в себе информацию как об устойчивости бистабкльностк (аирккг петлк - и), так к о качестве б/.ста-билыюсти ( точки пересечен',:я гистерезиса с осью Е=0).

Б четвертом параграфе рассматривается связь гистерезиса и бистабильксстк с энергией сцепления С*КК с поверхностью. Для этого исследовалась зависимость функционала полной свободной энергии ячейки от параметров поверхности, С*ЖК материала и ячейки, записанного в следующем -виде:

^¡'^ * V1' +1 *а • (6>

V э

где

г, = - , (7)

?в " ~ Тр^'Ь) - - (в>

(К в1п2в/гш-^г!2 * - я)2) . 19)

Здесь - объемные плотности свободной энергии упругих

деформаций и энергии электростатического взаимодействия, -поверхностная плотность свободной энергии взаимодействия С*ЖК с поверхностью, к -коэффициент упругости в одноконстантном приближении (к}=к2=к3=к1, т и %полярный и дисперсионный коэффициенты взаимодействия С ЖК с поверхностью, ? = "Р /рд - единичный вектор в направлении спонтанной поляризации, д волновой вектор спирзли геликоида, х - нормаль к поверхности, ф - азимутальный угол вращения С-директора.

Стабильное состояние директора определяется минимумом функционала к. Несмотря на то, что функционал, определяемый

формулами (6)-(9) или аналогичном!! подробно исследован многими авторами,, эти исследования содержат противоречия не только количественного, но и качественного характера. В этом описании не учтено дестабилизирующее поле, создаваемое поляризационными зарядами на поверхности:

2 6 Р сояФ

Еп(1)=-->-^-( (10}

р 2Ф- > Л

где с, е' и л сг' - диэлектрическая проницаемость и толщина С*ЖК ячейки и слоя ориентанта соответственно. Кроме того, в приповерхностном слое возникают упругие деформации, вызванные огибанием молекулами С*ЖК рельефа натертого ориентанта. Свободная энергия, соответствующая поверхностным деформациям или энергия Берремана описывается формулой:

Гь= <К/4) и* ^ аШ2<х , (11)

где из и Яд - глубина и волновой вектор рельефа поверхности синусоидальной формы, к - коэффициент упругости С*ЖК в однокон-стантном приближении, а - угол между проекцией директора к на плоскость электродов и направлением натирания я. С учетом соотношений (10) и (II) экстремум полной свободной энергии ячейки (ф*) по азимутальному углу ф определяется следующим выражением (в диапазоне о < Ф < л ):

',Р и с'с!

ф = агееоз

<*'<! К

4 ( 2с1' £ + л

(12)

Ч + ¿С-)}

где к*= (к/41 и2 я3 о2-энергия Берремана. Если выражение в

круглых скобках отрицательно, то ф* соответствует максимуму свободной энергии и ячейка обладает бистабильностью и, соответственно, гистерезисом, если - положительно, то ф* соответствует минимуму энергии и гистерезис отсутствует. Коэрцитивная сила гистерезиса для случая и » <!' определяется формулой:

ис * " К*~ А'} 7 Ра (13>

Таким образом, бистабильные свойства определяются не только дисперсионной частью энергии сцепления . но и энергией Берремана (приповерхностных деформаций) и деполяризующим полем спонтанной поляризации, что в точности согласуется с экспериментом. Измерив коэрцитивную силу ис (полуширину петли гистерезиса) согласно формуле (13), можно отдельно оценить величины дисперсионной энергии сцепления 1d и энергии Берремана. Для этого необходимо выбрать столь малую толщину слоя ориентанта (<]',, что бы сп>д /с « (т^ - а-*), то есть чтобы коэрцитивная сила не зависела бы от толщины ориентанта (Рис.7.)

&ВВ ¿'.А

Рис.7.Зависимость коэрцитивной силы от толщины ориентанта ПВС,

для ЖХС-294, р =90 нКл/см . в

Как видно из рис.7, на котором представлена зависимость ширины пзтли гистерезиса от толщины ориентанта, а" во а. В этом случае

(td - к*) ■= pgvc/4. Затем, измерив коэрцитивную силу ячейки с ненатертым ориантантом, вычислим величину td.

Таким образом, модифицированная модель полней свободной энергии позволила снять противоречие между теорией и экспериментальными данными. Кроме того, на основе данной модели разработан метод оценки различных вкладов в энергию сцепления.

ГЛАВА у

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БИСГАБИЛЬНОСГИ

В первом параграфе исследуется связь бкетабильных свойств со способом упаковки смектических слоев в ячейке. Бистабильность наблюдается в С*ЖК ячейках, обладающих "bookshelf" - структурой. Предложено два способа получения такой структуры. Первый способ заключается в перестройке шевронной упаковки под действием сильного электрического поля в структуру' с перпендикулярными электродам смектическими слоями. Второй способ заключается в использовании С*ЖК материалов с малым шагом спирали геликоида (Pq « di. Такие ячейки обладают псевдобиотабильнкм откликом и получили название Short Bistable Ferroelectric (SBF). Время бИСТЭбИЛЬ-

ности таких ячеек, в зависимости от различных параметров, может достигать нескольких секунд, что вполне достаточно для мультиплексных экранов. На второй способ нами получен международный патент совместно С фирмой Hoffmann La Roche (ШвеЙЦЭрИЯ).

Во втором параграфе проведено исследование бистабильностиот параметров С*ЖК материала - поляризации.р и шага спирали геликоида ро. Для этого было разработано два ряда С*1К смесей (ро« о. 5ц и ро» б-ю\1) близких по составу, но различающихся величиной спонтанной поляризации (7 - 250 нКл/см*"). Причем для ячеек с d * р0

исследуемыми параметрами являются ширина петли гистерезиса (и) и параметр качества е (см.формулу (5)), а для ячеек с <1 » ро -время бистабильности ь..

Рис.8. Зависимость времени бистабилыюсти от величины спонтанной

поляризации.

Как видно из рис.8 времена бистабилыюсти увеличиваются с ростом спонтанной поляризации как для ПССЖК (ро- с-юц), так и (р0-о.б>1) ячеек.

В третьем параграфе исследована зависимость бистабильности от параметров ячейки, таких как толщина ячейки и слоя ориентан-та. Для обоих тльоВ ячеек наблюдается повышенно бистабильных свойств с уменьшением толщины ориентанта, что согласуется с формулами (9),(10). Для гвк ячеек время бистабильности уменьшается с ростом толщины ячейки, что объясняется увеличением энергии геликоида (она пропорциональна объему ячейки) в сравнении- с энергией сцьплоиия (она пропорциональна площади поверхности).

tJ читвиртим uayat ttww«.^_______ _______

ляющбго напряжения на бистабильность. Это влияние идентично для sbf и ПССЖК ячеек. Исследована зависимость времени бистабильности от длительности биполярных импульсов заданной амплитуды. Эксперимент показал, что область бистабильности ограничена как слева, так и справа. Ограничение слева определяется динамическим порогом бистабильности С»ЖК-ячойки. Ограниченна справа обусловлено дестабилизирующим полем примесных ионов в ЖК-ячейках и хорошо описывается расчетными кривыми разводки зарядов.

Итак, проведенное комплексное экспериментальное исследование бистабильности показало, что в многомерном пространстве различных параметров, таких как физические константы С*КК, толщина ячейки и слоя ориентанта, режим управления и т.д. существует определенная область где достигается бистабильность. Границы этой области хорошо описываются модифицированной моделью свободной энергии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ. [.Предложена экспериментальная методика измерения основных параметров С»ЖК, таких как спонтанная поляризация, время переключения, вращательная вязкость, электропроводность, диэлектрическая проницаемость и азимутальный угол подвеса. Основные достоинства метода - простота, высокая точность и быстрота измерений.

2.Экспериментально исследованы электрооптические и биста-бильные свойства С*ЖК ячеек, обладающих различными надмолекулярными структурами (способами упаковки смектических слоев): "bookshelf" - (перпендикулярные слои), "шеврон" (наклонные слои) и геликоидальная структура. Пороговыми (гисторезисными) свойствами обла/ишт ячейки с "bookshelf" структурой. Для ячеек с геликоидальной закруткой время бистабильности достигает нескольких

секунд.

'3.Исследованы диэлектрические спектры С*ЖК ячеек в частотном диапазоне С.I Гц - I МГц. Впервые обнаружено существование четырех различных релаксационных процессов, соответствующих "голд-стоуновской" моде. Эти процессы соответствуют электрооптическим модам различных надмолекулярных структур: объемное переключение, доменное переключение, деформация геликоида и деформация смекти-ческих слоев.

4.Предложена экспериментальная методика определения различных частей энергии сцепления, основанная на измерении статической петли гистерезиса электрооптического отклика. Проведены количественные оценки энергии Берремана и ее влияния на гистерезисные свойства.

5.Проведено экспериментальное исследование зависимости Оистабильных свойств С*ЖК ячеек от следующих параметров: спонтанной поляризации рд, шага спирали ро, толщин ячейки <1 и слоя ориентакта с/', длительности и амплитуды импульсов и температуры. Экспериментальные денные согласуются с теоретической моделью, описывающей полную свободную энергию С*ЖК с учетом деполяризующих явлений и поверхностных деформаций. На основе данных исследования разработаны практические рекомендации для достижения бистабиль-ности в С*ЖК ячейках.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О.П.Пакарин, Е.П.Пожидаев, М.И.Барник. "Поляризационные явления в Сегнетоэлектрических ЖК". 7-я Всесоюзная конференция по жидким кристаллам, Чернигов, 1987 г.. Тезисы, о.56.

2. Yu.P.Panarin, E.P.Pozhidaev. "FLC-Induced Electrooptical Modulation of polychromatic Light". 8 th Liquid Crystals Conference of Socialist Countries, Krakow, Abstracts, B24 (1989)

3. Yu.P.Panarin, E.P.Pozhidaev, V.0.Chigrinov. "Dynamic of Controlled Birefringence in an Electric Field Deformed Helical Structure of a Ferroelectric Liquid Crystal". Ferroelectrics, 114, 181, (1991).

4. E.P.Pozhidaev, Yu.P.Panarin, M.I.Barnilc. "Achromatic Bistable FLC Light Modulator". Eurodisplay'91, Amsterdam, Abstracts, 99

(1991).

5. Yu.P.Panarin, E.P.Pozhidaev, M.I.Barnik. "Bistability in Ferroelectric Liquid Crystals". Mol.Wat.,1,29 (1992)

6. V.M.Vaksman, Yu.P.Panarin. "Measurement of Ferroelectric Liquid Crystals Parameters", Mol.Mat.,1 , 147 (1992).

7. Yu.P.Panarin. "Dynamic Hysteresis Loops in Ferroelectric Liquid Crystals". 14th Int.Liq. Cryst.Conf., Pisa, Abstracts, 251 (1992).

8. Yu.P.Panarin, V.G.Chigrinov, E.P.Pozhidaev, V.P.Vorflusev. "Hysteresis and Anchoring Energy in Ferroelectric Liquid Crystals". 14th Int.Liq.Cryst.Conf.,Pisa, Abstracts, 250

(1992).

11. Yu.P.Panarin, V.G.Chigrinov. "Domain Structures in Ferroelec trie Liquid Crystals". 14th Int.Liq.Cryst.Cont., Piea, Abstracts, 252 (1992)

10.Yu.P.Panarin. "Hysteresis and Anchoring Energy in Ferroelec trie Liquid Crystals", Mol. Mat. , 2 ( 2 ) , 137 (1993)

11.R.V.Isaeva, Yu.P.Panarin, M.V.Loseva. "A New Simple Way for Developing of FLC eutectic mixtures". European Conference on Liquid Crystals Science and .Technology, Flims, Abstracts, 117 (1993)

12.V.P.Vorflusev, V. G. Chigrir.ov, Yu.P.Panarin. "Electrooptic Properties of FLC Cells Treated in Low Frequency Electric Field". European Conference on Liquid Crystals Science and Technology, Flims, Abstracts, 101 (1993)

13.V.P.Vorflusev, V.G.Chigrinov, Yu.P.Panarin. "Effect of PVA

Orientant on Electrooptics and Bistability in FLC Cell". Mol.

\

Mat.2(4), (1993)

14.E.P.Pozhidaev, V.G,Chigrinov, Yu.P.Panarin, V.P.Vorflusev. "Anchoring Energy of a Ferroelectric Liquid Crystal with Solid

Surface". Mol.Me'.2(4), (1993)