Влияние рельефа поверхности и свойств тонких пленок аморфного углерода на ориентацию и оптические характеристики жидкокристаллических ячеек

Гавриш, Екатерина Олеговна

Влияние рельефа поверхности и свойств тонких пленок аморфного углерода на ориентацию и оптические характеристики жидкокристаллических ячеек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Гавриш, Екатерина Олеговна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние рельефа поверхности и свойств тонких пленок аморфного углерода на ориентацию и оптические характеристики жидкокристаллических ячеек»

Автореферат диссертации на тему "Влияние рельефа поверхности и свойств тонких пленок аморфного углерода на ориентацию и оптические характеристики жидкокристаллических ячеек"

005052538

На правах рукописи

------------

ГАВРИШ Екатерина Олеговна

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ И СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК АМОРФНОГО УГЛЕРОДА НА ОРИЕНТАЦИЮ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК

Специальность 01.04.05 — оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 7 СЕН 2012

005052538

Работа выполнена в Центре информационных оптических технологий Саш Петербургского Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Коншина Елена Анатольевна

Официальные оппоненты: Яковлев Евгений Борисович, доктор технических наук, профессор, НИУ ИТМО, профессор кафедры ЛТиЭП

Владимиров Федор Львович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, "Научный прибор", ведущий специалист

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока (НИИФ), СПбГУ.

Защита состоится "23" октября 2012 г. в 15 ч. 50 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.02 Санкт-Петербургского Национальнс Исследовательского Университета Информационных Технологий, Мехаїші и Оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.,49, ауд.28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан "21" сентября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.227.02 доктор физико-математических наук,

профессор

Козлов С.,

На правах рукописи

ГАВРИШ Екатерина Олеговна

Специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Центре информационных оптических технологий Санкт-Петербургского Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики им. В .А. Фока (НИИФ), СПбГУ.

Защита состоится "23" октября 2012 г. в 15 ч. 50 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.02 Санкт-Петербургского Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.,49, ауд.285.

Автореферат разослан "21" сентября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.227.02

доктор физико-математических наук, • ^

профессор

Козлов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ориентационно-упорядоченные конденсированные среды, такие как жидкие кристаллы, сочетающие в себе свойства жидкостей и кристаллических твердых тел, представляют интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. Экспериментальные и теоретические исследования анизотропных структур жидких кристаллов (ЖК), полученных в результате их взаимодействия с ориентирующей поверхностью, и изменения их оптических свойств под действием электрического поля относятся к разделу оптики жидкокристаллических сред.

Нематические жидкие кристаллы широко используются во всевозможных дисплейных устройствах, ноутбуках, компьютерах, сотовых телефонах и других коммуникационных устройствах. Они находят применение и в различных фотонных устройствах, используемых в системах записи, отображения и обработки информации.

Актуальность диссертационной работы связана с разработкой электроуправляемых оптических жидкокристаллических устройств, используемых в телекоммуникационных системах для модуляции сигнала по интенсивности и фазе. Оптические характеристики, быстродействие и энергопотребление этих устройств зависят от начальных условий на границе раздела фаз нематического жидкого кристалла с ориентирующей поверхностью, обуславливающих пороговое напряжение электрооптического эффекта и начальный угол наклона директора, которые влияют на их характеристики

Осуществление ориентации молекул жидких кристаллов является одной из важных технологических операций в изготовлении различных ЖК устройств. Получение однородной ориентации молекул жидкого кристалла необходимо для обеспечения однородности поля директора, определяющего его оптическую ось. Выравнивание молекул в заданном направлении происходит в результате физико-химического взаимодействия жидкого кристалла с поверхностью, обладающей анизотропными свойствами, или в результате фотоиндуцированной ориентации молекул. Известны различные способы ориентации жидких кристаллов, такие как механическое натирание полимерных слоев, наклонное осаждение материалов в вакууме, фотоиндуцированная ориентация, химическое осаждение слоев (chemical vapor deposition - С VD) с помощью плазмы и другие.

поверхностных свойств ориентирующих слоев в одном процессе. Ориентирующие слои, полученные CVD технологией из паров углеводородов с помощью плазмы тлеющего разряда, представляют собой тонкие пленки аморфного гидрогенизированного углерода (а-С:Н). В зависимости от условий получения в плазме они имеют полимероподобную (polymer-like carbon) или алмазоподобную (diamond-like carbon) структуру и свойства1.

Ориентирующие а-С:Н слои, с близким к нулю начальным углом наклона директора, могут быть получены путем осаждения паров углеводорода на подложки, расположенные наклонно относительно электродов плазмы2. Однако малый угол может приводить к неоднородности ориентации и визуализации дефектов поверхности, а высокое удельное сопротивление этих диэлектрических слоев способствует повышению порога эффекта Фредерикса. Модификация поверхности а-С:Н слоев путем воздействия на неё УФ излучения позволяет изменять анизотропию рельефа и свойства поверхности, а также варьировать начальный угол наклона директора жидкого кристалла.3

Основной целью проводимых в работе исследований было улучшение однородности ориентации нематических жидких кристаллов на поверхности тонких слоев а-С:Н и снижение порогового напряжения эффекта Фредерикса для повышения быстродействия и снижения энергопотребления ЖК устройств на их основе.

Основными задачами диссертации в соответствии с поставленными целями, были следующие исследования:

• изменения текстуры и свойств поверхности слоя а-С:Н в результате воздействия на неё неполяризованного и поляризованного УФ излучения;

• закономерностей изменения оптических свойств и порога электрооптического эффекта нематического ЖК в зависимости от толщины ориентирующего а-С:Н слоя;

• закономерностей изменения оптических свойств нематического ЖК и порога элекгрооптаческого эффекта в результате добавления в них полупроводниковых квантовых точек.

Для решения поставленных задач в работе были проведены следующие экспериментальные исследования:

• способов формирования анизотропии текстуры ориентирующих

жидкие кристаллы слоев на основе аморфного углерода путем

1 Коншина Е. А. Методы получения и свойства ориентирующих жидкие кристаллы слоев на основе аморфного углерода// Опт. журн. 2011.Т.78. №2. С.72-83

2 Коншина Е. А. Взаимодействие между тематическим жидким кристаллом и аморфными углеводородными ориентирующими слоями. // Кристаллография. 1995.T.40, № 6. С. 1074-1076.

3 Sakamoto 1С, Usami К, Sasaki Т., Uehara Y., Uslrioda S. Pretilt angle of liquid crystals on polyimide films photo-aligned by single oblique angle irradiation with un-polarized light. // Jpn. J. of App. Phys. 2006. V. 45. No 4A. - P. 2705-2707

воздействия на их поверхность неполяризованного излучения ртутной лампы и поляризованного излучения УФ наносекундного лазера;

• оптических характеристик плоскопараллельных ячеек, заполненных

нематическим жидким кристаллом, и влияние на них толщины ориентирующего а-С:Н слоя;

• изменения оптических характеристик ячеек с ориентирующим слоем

а-С:Н в результате добавления в нематический жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек Сс18е/2п8.

Объектами исследования в этой работе служили ориентирующие а-С:Н слои, полученные из паров ацетона в плазме тлеющего разряда на постоянном токе при давлении в вакуумной камере 5 10"2 Па, слои прозрачного проводящего электрода на основе окислов индия и олова, полученные катодным распылением в аргоновой плазме, плоскопараллельные ячейки, собранные из стеклянных подложек, диаметром 35 мм, покрытых этими слоями и заполненных нематическим жидким кристаллом или суспензией жидкого кристалла с полупроводниковыми квантовыми точками.

Исследования характеристик ЖК ячеек, а также начального угла наклона директора и порога электрооптического эффекта проводилось с помощью ранее разработанных методик4. Однородность ориентации контролировалась, и изменение текстуры поверхности слоев в результате воздействия поляризованного УФ излучения исследовалось с использованием поляризационной микроскопии. Результаты воздействия неполяризованного излучения на поверхность слоев изучались с помощью метода многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО).

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:

1. Показана возможность улучшения однородности ориентации НЖК путем предварительной обработки поверхности электродного слоя на основе окислов индия и олова УФ излучением наносекундного лазера перед осаждением на него а-С:Н слоя.

2. Установлены закономерности изменения экранирующего эффекта ориентирующего а-С:Н слоя и влияние его на порог электрооптического эффекта Фредерикса, начальный угол наклона директора нематического жидкого кристалла и фазовую задержку света.

3. Установлены закономерности изменения диэлектрической проницаемости, порога электрооптического эффекта Фредерикса, начального угла наклона директора и фазовой задержки света в

4 Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора н фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами. // Опт. журн. - 2006. -Т.73, -В. 12. -С. 9-13.

нематическом жидком кристалле с положительной диэлектрической анизотропией в зависимости от концентрации полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS, добавленных в него.

Защищаемые положения

1. Сканирование поверхности тонкопленочной структуры, состоящей из слоев окислов индия и олова, покрытых ориентирующим слоем а-С:Н, излучением УФ лазера с наносекундной длительностью импульса вызывает испарение ориентирующего слоя, что приводит к нарушению гомогенной ориентации жидкого кристалла в местах ее обработки.

2. Для создания нанотекстурированной поверхности ориентирующего а-С:Н слоя необходимо воздействовать на нее УФ излучением с фемтосекундной длительностью импульса, которое, не нарушая целостности этого слоя, может способствовать структурным изменениям в аморфном углероде сопровождающимся уплотнением его структуры.

3. Снижение экранирующего эффекта и порога электрооптического эффекта Фредерикса путем уменьшения толщины ориентирующего а-С:Н слоя приводит к повышению начального угла наклона директора нематического жидкого кристалла и уменьшению фазовой задержки света в его слое.

4. Увеличение концентрации полупроводниковых квантовых точек в интервале от 0,1 до 0,2 вес.%, добавленных в нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией, приводит к понижению его диэлектрической проницаемости, а также порога электрооптического эффекта и увеличению начального угла наклона директора.

Практическая значимость результатов работы

Результаты исследований, связанные с вариацией начального угла наклона директора и корреляции его с порогом элекгрооптического эффекта, а также влияние на эти параметры добавления в жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек могут служить физической основой дальнейшего совершенствования ЖК технологии. Полученные результаты имеют практическое значение и используются при разработке технологии создания оптических устройств телекоммуникационных систем.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: VI, VII, VIII Всероссийских Межвузовских конференциях молодых ученых, СПб НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, апрель 2009, 2010, 2011 гг.; I Межвузовской студенческой конференции, СПБ НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, май 2010 г.; European Conference on Liquid Crystals, February, 2011, Maribor, Slovenia.; International Liquid Crystal Conference, August, 2012, Mainz, Germany.

Публикации

По результатам работы было опубликовано 11 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах: Письма в Журнал технической физики, Научно-технический вестник СПб ГУИТМО, Molecule Crystals & Liquid Crystals.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично. Автор осуществлял проведение экспериментов по получению экспериментальных образцов, ориентирующих слоев и изготовлению ЖК ячеек, исследованию их характеристик, анализу полученных результатов, расчеты и подготовку полученных результатов к публикации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 59 ссылок, из них 7 ссылок на работы автора. Работа изложена на 103 страницах, содержит 31 рисунок и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обсуждается объект исследования и актуальность работы, сформулированы цели, задачи, научная новизна полученных результатов и защищаемые положения, а также дана краткая шшотация содержания отдельных глав.

Первая глава посвящена литературному обзору теоретических и экспериментальных работ по исследованию изменения ориентации нематических жидких кристаллов при воздействии на ориентирующие слои, включая а-С:Н слои, пучков ионов и УФ излучения, а также влияния этих изменений на элекгрооптические характеристики ЖК ячеек. Проанализирована возможность получения однородной ориентации НЖК с помощью методов, описанных в этих работах, а также влияние ее на порог электрооптического эффекта Фредерикса и начальный угол наклона директора жидкого кристалла.

Воздействие УФ излучения на слои а-С:Н, также как и полиимидтгые слои, способствует анизотропии свойств поверхности и может быть альтернативой способу механического натирания ориентирующей поверхности.5 Слои а-С:Н, полученные в плазме тлеющего разряда с помощью CVD-процесса, после обработки их поверхности неполяризовашшм излучением ртутной лампы обеспечивали параллельную ориентацию молекул ЖК. Поверхность а-С:Н, обработанная УФ излучением, обеспечивала термостабильную ориентацию ЖК.

5 Hwang J.-Y., Jo Y.-M., Seo D.-S. Jang J. Liquid crystal alignment capability by the UV alignment method in a-C:H thin films. // Jap. J. of Apl. Phys. Part 2: Letters. 2003. V. 42. No 2A. L114-LU6.

При воздействии УФ излучения на поверхность тонкой пленки глубина проникновения света больше, чем толщина пленки 6. Порог абляции увеличивается с увеличением толщины пленки от d до \/a~d= ■Jar, где а - температуропроводность материала и т - время воздействия излучения. Различают два вида поглощения в средах при воздействии лазерного излучения: сильное (поверхностное) и слабое (объемное). При \la.~d порог абляции достигает величины объемного поглощения и остается постоянным. При сильном поглощении глубина проникновения излучения много меньше характерного размера теплопроводности На« Jar. При слабом (объемном) поглощении глубина проникновения излучения На > Jar. Порог абляции достигает величины объемного поглощения для толщины слоя, равной длине распространения тепла, поэтому представляет интерес сравнение воздействия лазерного излучения с наносекундной и фемтосекундной длительностью.

Изменение диэлектрической и оптической анизотропии жидкого кристалла при воздействии на него электрического или магнитного поля, эффект Фредерикса, имеет пороговый характер. Пороговое напряжение зависит как от свойств жидкого кристалла (константы упругости и диэлектрической анизотропии), так и от силы межфазного взаимодействия жидкого кристалла на границе раздела с ориентирующей поверхностью. Падение напряжения на слое жидкого кристалла и ориентирующем слое, которое называют также экранирующим эффектом, может приводить к повышению порогового напряжения, при котором начинается переориентация директора. Причем влияние экранирующего эффекта усиливается с уменьшением толщины слоя жидкого кристалла 1. Изучение факторов, влияющих на изменение порогового напряжения и путей его понижения, важно для разработки различных ЖК устройств, т.к. пороговое напряжение влияет на их быстродействие.

Одним из способов снижения порога электрооптического эффекта Фредерикса, является введение в жидкий кристалл наночастиц8. Результаты экспериментов по введению полупроводниковых квантовых точек в ЖК свидетельствуют о перспективности их использования для изменения оптических и электрооптических характеристик нематических жидких кристаллов таким несинтетическим методом9. Добавление квантовых точек в

' Koter R., Weise M., Hertwing A., Beck U., Kruger J. Influence of film thickness and optical constants on femtosecond laser-induced ablation of hydrogenated amorphous carbon films. II Journal of optoelectronics and advance materials. 2010. Vol. 12. No 3. p. 663-667.

' Meizi Jiao, Zhibing Ge, Qiong Song, and Shin-Tson Wu. Alignment layer effects on thin liquid crystal cells // Appl. Phys. Lett. 2008. 9Z 06U02-1-3.

' Zhang T., Zhong Ch., Xu J. CdS nanoparticle-doped liquid ciystal displays showing low threshold voltage // Jpn. J. of Appl. Phys 2009. V. 48. P. 055002. (1-6)

9 Shiraishi Y., Toshima N., Maeda k., Yoshikawa IL, Xu J., Kobayashi Sh. Frequency modulation response of a liquid-crystal electro-optic device doped withnanoparticles // Appl. Phys. Letts. 21X12. V. 81. № 15. P. 2845-2847.

жидкий кристалл приводит не только к уменьшению порогового напряжения, но также изменению ориентации и ускорению их переключения10.

Проведенный анализ литературы позволил определить методический подход к решению основных задач диссертации.

Вторая глава посвящена исследованиям способов создания анизотропии свойств поверхности а-С:Н путем воздействия на неё поляризованного и неполяризованного УФ излучения. В ней дано описание способа получения слоев а-С:Н из паров ацетона с помощью СУБ-процесса в плазме тлеющего разряда и методы последующей обработки ее УФ излучением.

Воздействие на слои а-С:Н неполяризованного УФ излучения осуществлялось с помощью ртутной лампы ПРК-4 (1=180^400 нм, Р=250 Вт), варьируя время воздействия. Изменение молекулярной структуры слоев после их обработки УФ излучением исследовали с помощью метода многократно нарушенного полного внутреннего отражения. В спектрах исследуемых а-С:Н пленок, кроме слабой полосы валентных колебаний СН групп, характерной для пленок а-С:Ни, присутствует и широкая полоса валентных колебаний СО групп. Полоса колебаний СО групп свидетельствует о присутствие в структуре аморфных углеродных пленок, наряду с атомами водорода, значительного количества кислорода. С увеличением толщины исследуемой пленки интенсивность этих полос увеличивалась, что свидетельствует о том, что это вызвано присутствием кислорода в молекуле ацетона, используемого в СУО-процессе. Воздействие на исследуемые в этом эксперименте слои неполяризованного УФ излучения в течение 15 и 30 мин не вызвало каких-либо изменений в спектрах МНПВО, что свидетельствует о сохранении молекулярной структуры поверхности пленок.

Вместе с тем, обработка поверхности а-С:Н слоев неполяризованным УФ излучением привела к уменьшению начального угла наклона директора и увеличению порога электрооптического эффекта нематического жидкого кристалла. Это косвенно свидетельствует об увеличении силы сцепления на границе раздела фаз в результате повышения поверхностной энергии ориентирующего слоя в результате его обработки. Однако проведенные с помощью поляризационного микроскопа исследования качества ориентации показали, что добиться создания однородной анизотропии свойств поверхности при обработке ее УФ излучением, без использования его поляризации не удалось.

10 Kinkead В., Hegmann Т. Effects of size, capping agent and concentration of CdSe and CdTe quantum dots doped into a nematic liquid ciystal on the optical and electro-optic properties of the final colloidal liquid crystal mixture // J. of Material Chemistry. 2010. V. 20. - P. 448-458.

" Коншина E. А., Вангонен А.И. Особенности колебательных спестров алмазо подобных и полимероподобных пленок а-С:Н. // ФТП, 2005, Т. 39. вып. 5. С. 616-621.

Для исследования воздействия поляризованного излучения был использован УФ Ы2-лазер марки ЛГИ-504А. Стеклянную подложку, покрытую прозрачным электродом на основе окислов индия и олова (НО) и а-С:Н слоем, закрепляли на координатном столе, и процесс сканирования осуществлялся путем перемещения ее по двум координатам со скоростью 10 или 1,2 мм/с при неподвижном лазерном пучке Воздействие УФ излучения приводило к формированию микротекстуры рельефа поверхности в виде параллельных канавок в результате удаление слоя а-С:Н и частично слоя 1ТО. Условия формирования анизотропии рельефа на поверхности ориентирующего слоя а-С:Н изменяли, варьируя мощность УФ излучения путем понижения напряжения накачки УФ лазера и расфокусировки лазерного пучка, а также, сочетая эти два приема. Тенденцию изменения ширины канавки в зависимости от плотности мощности излучения УФ лазера иллюстрирует рис. 1. При ослаблении излучения путем расфокусировки лазерного пучка удалось получить ширину канавки 27-30 мкм (кривая 1, рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальные кривые изменения ширины канавки, образующейся на поверхности исследуемых образцов в зависимости от плотности мощности излучения УФ лазера. (1) - расфокусированный пучок, (2) - сфокусированный пучок.

Микрофотографии ориентации нематического жидкого кристалла (ЖК-1282, НИОПИК) на поверхности слоя а-С:Н приведены на рис. 2. Для сравнения, на рис. 2, а показана параллельная ориентация молекул жидкого кристалла, полученная с помощью слоя а-С:Н, нанесенного на поверхность ІТО, предварительно обработанную ионами Аг, падающими под

100-,

15 16 17 18 19 20 21 22 плотность мощности шлучения. 10 Вт м

скользящими углами при наклонном расположении подложек в плазме. На рис. 2, б приведена микрофотография жидкого кристалла, ориентированного поверхностью а-С:Н слоев, осажденных на подложки, расположенные горизонтально относительно электродов в плазме и обработанные затем с помощью N2 лазера. Глубокие канавки, образовавшиеся на поверхности в результате воздействия УФ излучения, нарушают однородность параллельной ориентации ЖК. Внутри канавок молекулы ЖК ориентируются гомеотропно (перпендикулярно поверхности), что связано с удалением ориентирующего слоя при его обработке.

Рис. 2. Микрофотографии, полученные с помощью поляризационного микроскопа, ориентации нематического жидкого кристалла на поверхности слоя а-С:Н, при наклонном осаждении в плазме тлеющего разряда (а), после обработки слоя расфокусированным пучком УФ лазера плотностью мощности 19,7 103 Вт/м2 (б). Увеличение микроскопа 10х.

Уменьшение плотности мощности лазерного излучения в расфокусированном пучке способствовали снижению температуры на поверхности образца. Увеличение скорости сканирования от 1,2 до 10 мм/с так же не позволило избежать полного удаления слоя а-С:Н в местах обработки поверхности. Это подтверждают и расчеты, сделанные в соответствии с тепловой моделью испарения материала.

Расчет проводился для лазеров с наносекундной длительностью импульса, используемого в этой работе, и, для сравнения, для лазера с фемтосекундной длительностью по формуле (1)

_ 1д0Ау[ат Ку1Л

Для наносекундного лазера ЛГИ-504А значения теплопроводности, теплоемкости, коэффициента отражения, площади пятна и длительности импульса неизменны. Температуропроводность рассчитывалась по формуле (2).

а=К!р 5 (2)

плотность мощности излучения. 10 Вт/м"

Рис. 3. Расчетные зависимости изменения температуры у поверхности образца от плотности мощности лазерного излучения для наносекундного (1) и фемтосекундного (2) лазеров.

На рисунке 3 приведены расчетные зависимости изменения температуры у поверхности образца от плотности мощности лазерного излучения для наносекундного лазера с т=6 не, и диаметром пятна 10 мкм, используемом в эксперименте, и для сравнения фемтосекундного итгербиевого технологического лазера длительностью импульса 100 фс и диаметром пятна 1 мкм.

В диапазоне температур от 400 до 450°С в аморфной углеродной пленке происходят структурные изменения, связанные с уплотнением материала. Выше 500°С идет процесс разложения а-С:Н. Для создания рельефа поверхности нанометрового размера в результате структурных изменений слоя а-С:Н необходимо обеспечить температуру в зоне облучения в интервале 400-450°С. Как показал проведенный расчет мощности излучения, этот результат может быть достигнут при уменьшении длительности УФ излучения до фемтосекундного диапазона (рис. 3). Использование фемтосекундного лазера даст возможность воздействовать только на поверхностный слой а-С:Н, не нарушая его целостность и формируя нанотекстуру, что создаст условия для однородной ориентации жидкого кристалла.

Учитывая то, что тонкие аморфные углеродные пленки являются гладкими и повторяют рельеф поверхности подложки, была предпринята попытка создания анизотропии текстуры поверхности прозрачного проводящего слоя путем обработки его поверхности с помощью УФ излучения N2-лазера перед осаждением на неё ориентирующего а-С:Н слоя.

Рис. 4. Микрофотография поверхности прозрачного электрода, обработанная Ы2-лазером.

Текстура поверхности 1ТО создавалась путем перемещения образца, со скоростью 10 мм/с при неподвижном лазерном пучке. В результате частичного удаления материала слоя ЕГО образовывались параллельные канавки (рис. 4). Использование обработанных УФ излучением 1ТО электродов позволило получить однородную ориентацию жидкого кристалла, после осаждения на их поверхность слоя а-С:Н.

Третья глава посвящена исследованиям эффекта экранирования напряжения, приложенного к ячейкам с нематическим жидким кристаллом, и влияние на него толщины ориентирующего слоя а-С:Н. Анализируется изменение порога электрооптического эффекта Фредерикса, начального угла наклона директора, а также характера и динамики оптического отклика нематического жидкого кристалла в зависимости от толщины ориентирующего слоя и концентрации полупроводниковых квантовых точек, добавленных в него.

Напряжение электрического поля, приложенное к ЖК ячейке, уменьшается за счет его падения на слое жидкого кристалла и ориентирующем слое. Для понимания влияния эффекта экранирования напряжения ориентирующим а-С:Н слоем, было проведено сравнение зависимостей емкости и сопротивления ЖК ячеек от переменного напряжения при «р/ау-деформации нематического жидкого кристалла и влияния на них толщины ориентирующего слоя а-С:Н. Зависимости емкости и сопротивления ячеек измерялись с помощью специально разработанных электрической схемы и компьютерной программы (рис. 5).

Рис. 5. Зависимости емкости (а) и сопротивления (б) ячеек с разной толщиной ориентирующего а-С:Н слоя от напряжения, приложенного с частотой 1 кГц. (ЖК-1001,НИ011ИК)

В ячейке с толщиной слоя около 30 нм емкость монотонно возрастала, начиная с малых значений напряжения, а сопротивление одновременно плавно уменьшалось, что свидетельствует об отсутствии экранирования приложенного напряжения в этом случае. С увеличением толщины слоя а-С:Н в 2 и 4 раза, соответственно, наблюдался эффект экранирования напряжения, а зависимости их емкости и сопротивления от напряжения (рис. 5, кривые 2 и 3) имели явно выраженный пороговый характер.

/ л

// 1 V"

т-i-i-1—I ■ i i i I-г-

1 10

U, V

Рис. 6. Зависимости фазовой задержки света с длиной волны 0,65 мкм от напряжения, приложенного с частотой 1 кГц для ячеек со средней толщиной слоя ЖК-1001 около 8,2 мкм.

Элекгрооптические характеристики ЖК ячеек измеряли на длине волны 0,65 мкм. Зависимость фазовой задержки света достигает своего максимума, когда молекулы в слое ЖК переориентировались полностью. В ячейке с тонким а-С:Н слоем (рис. 6, кривая 1) это происходит уже при напряжении, равном 10 В. С увеличением толщины слоя в 4 раза фазовая задержка увеличивалась от 2,8 до 4 для ЖК-1001, что вызвано с уменьшением угла наклона Qp от 46° до 34°. Таким образом, снижение экранирующего эффекта ориентирующего а-С:Н слоя, в результате уменьшение его толщины, сопровождается понижением порогового напряжения и увеличением начального угла наклона директора жидкого кристалла. Из чего можно заключить, что чем больше толщина а-С:Н слоя, тем выше энергии сцепления ЖК с поверхностью, что может быть вызвано процессами, происходящими на межфазной границе при приложении внешнего электрического поля.

К аналогичным изменениям приводит добавление в жидкий кристалл наночастиц. В работе были исследованы оптические и электрические характеристики ячеек, заполненных нематическим жидким кристаллом с положительной диэлектрической анизотропией и разной концентрацией полупроводниковых квантовых наночастиц, добавленных в него. Основной задачей этого исследования было выяснение влияния концентрации наночастиц на изменение эффективной диэлектрической проницаемости и порогового напряжения ЖК ячеек.

В качестве жидкокристаллической матрицы использовали ЖК-І282 на основе цианобифенильных молекул, в которую были добавлены коллоидные полупроводниковые квантовые точки Сс18е/7.п8 типа ядро/оболочка, покрытые слоем молекул триоктилфосфиноксида, с диаметром Сс18с ядра — 3,5 нм. Эксперименты проводились с концентрациями Сс18е/Еп8 в ЖК в интервале от 0,1% до 0,2 вес. %. Перед заполнением ячеек суспензию тщательно перемешивали в течение нескольких часов, используя для этого ультразвуковую ванну, так как нанокристаллы плохо смешивались с ЖК и выпадали в осадок.

Кривые изменения фазовой задержки в зависимости от напряжения, полученные вскоре после заполнения ячеек ЖК с ориентирующим слоем а-С:Н, показаны на рис. 7.

и. V

Рис. 7. Изменение фазовой задержки в зависимости от приложенного напряжения в эталонной ЖК ячейке и ячейках, заполненных этим ЖК с добавлением в него КТ в концентрации ~0,1 и ~0,2 вес. %.

Максимальное значение фазовой задержки света в этих ячейках было в 2,5 раза меньше по сравнению с эталонным образцом ЖК ячейки с нулевым начальным углом наклона директора. Столь значительное изменение фазовой задержки возможно в результате увеличения начального угла наклона директора ЖК до 45" по сравнению с эталонным образцом. Добавление КТ в ЖК сопровождалось уменьшением емкости ячеек, по сравнению с эталонным образцом, при этом сопротивление ячеек плавно увеличивалось. Это свидетельствует о том, что введение КТ уменьшает падение напряжения, приложенное к ячейкам, на слое жидкого кристалла.

ф'

ЛЛЛЛЛЛЛЛЛ^Л^ЛЛЛЛ АЛЛ ДА

0,1%

„..иммитию

0.2%

и, V

Рис. 8. Изменение эффективной диэлектрической проницаемости в зависимости от синусоидального напряжения, приложенного с частотой 1 кГц, у исследуемых ЖК ячеек после их хранения в течение 2 месяцев.

Экспериментально диэлектрическую проницаемость ячеек определяли как отношение емкости заполненной НЖК ячейки к емкости пустой ячейки. На рис. 8 показано изменение эффективной диэлектрической проницаемости у исследуемых ЖК ячеек в зависимости от напряжения после их хранения в течение 2 месяцев. Если в ячейке с концентрацией КТ около 0,1% зависимость е осталась без изменения, подобно эталонной ячейке, то с увеличением концентрации до 0,2% она уменьшилась в два раза, что свидетельствует о нестабильности наносистемы при этой концентрации. Более объективное объяснение поведения подобных наносистем позволит сделать анализ изменения параллельной и перпендикулярной составляющих диэлектрической проницаемости и коэффициентов упругости Франка.

1. Исследована возможность создания анизотропии свойств ориентирующей поверхности с помощью воздействия неполяризованного и поляризованного УФ излучения. Результаты проведенных исследований показали, что воздействие неполяризованного излучения на поверхность ориентирующего слоя а-С:Н, полученного СУО-технологией с помощью плазмы, способствует усилению сцепления молекул ЖК с ориентирующей поверхностью, о чем свидетельствовало уменьшение начального угла наклона директора и увеличение порогового напряжения. Однако получить однородную параллельную ориентацию жидкого кристалла в результате воздействия неполяризованного излучения не удалось.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

2. Показано, что при сканировании излучением УФ наносекундного лазера можно получить анизотропную микротекстуру поверхности в результате испарения материала ориентирующего слоя и 1ТО, параметры которой - глубину и ширину канавок можно изменять, варьируя плотность мощности падающего пучка, длительность воздействия излучения и скорость перемещения образца относительно пучка лазера.

3. Расчеты показали, что использование фемтосекундного УФ лазера позволит уменьшить мощность воздействия в 4 раза, что приведет к значительному уменьшению глубины прогретого слоя и, тем самым, позволит формировать анизотропию нанотекстуры аморфного углерода, не нарушая целостности слоя, что должно обеспечить улучшение однородности ориентации жидкого кристалла.

3. Впервые была экспериментально продемонстрирована возможность получения однородной ориентации нематического жидкого кристалла на поверхности аморфных ориентирующих слоев, полученных из паров ацетона в плазме тлеющего разряда, в результате предварительного формирования однонаправленного рельефа поверхности электродного слоя, с помощью поляризованного УФ излучишя.

5. Результаты исследования экранирующего эффекта ориентирующего слоя показывают, что уменьшение его толщины способствует понижению порогового напряжения и приводит к увеличению начального угла наклона директора ЖК. Это связано с изменением поля пространственного заряда на границе раздела фаз, влияющего на энергию сцепления.

6. Добавление в нематический жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек в зависимости от их концентрации не только способствует уменьшению порогового напряжение, но и значительному увеличению начального угла, что открывает возможности для развития ЖК технологии и применения её в оптических устройствах.

Полученные результаты способствуют пониманию процессов, происходящих на границе раздела фаз нематического жидкого кристалла с ориентирующим а-С:Н слоем при приложении электрического поля к ЖК ячейкам и оптимизации оптических и динамических характеристик ЖК устройств на их основе.

1. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гаврнш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов. // ПЖТФ. - 2009. - Т. 35. - вып. 11.-е. 33-38.

2. Гаврнш Е.О. Формирование анизотропии наноструктуры поверхности тонких пленок на основе аморфного углерода. // Сборник трудов VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. -2009. - вып. 3.

3. Гаврнш Е.О., Чуйко В.А. Исследование воздействия УФ излучения на поверхность тонких пленок. // Научно-технический вестник. - 2010 -№05(69). - с. 26-29.

4. Коншина Е.А., Гаврнш Е.О. Экранирующий эффект ориентирующего жидкие кристаллы слоя а-С:Н. // ПЖТФ. - 2011. - Т. 37. - вып. 10. - с. 21-26.

5. Коншина Е.А., Гаврнш Е.О., Орлова А О., Артемьев М.В. Влияние полупроводниковых квантовых точек на оптические и электрические характеристики жидкокристаллических ячеек. // ПЖТФ. - 2011. - Т. 37. -вып. 21.-е. 47-54.

6. Gavrish Е.О., Galin I.F., Konshina Е.А. Screening effect of a-C:H alignment layer and its influence on characteristics of LC cells. // Molecule Crystals & Liquid Crystals. - 2012. - V. 553. - Issue 1. - pp. 44-49.

7. Коншина E.A., Вакулин Д.А., Иванова Н.Л., Гаврнш Е.О., Васильев В.Н. Особенности оптического отклика гибридно-ориентированных ячеек с двухчастотным нематическим жидким кристаллом. // ЖТФ. - 2012. -Т. 82. - вып. 5. - с. 66-70.

Подписано в печать: 03.09.12 Формат: 00x84 1/16 Печать цифровая Тираж: 100экг Закал: 287 Отпечатало: Учреждение «Ушіверсптстскнс телекоммуникации» 197101. Санкт-Петербург. Саблянская ул. д.14 +7(812)9151454, гакагЙІіЬіг.ги. www.tibir.ni

1. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гавриш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов. // ПЖТФ. - 2009. - Т. 35. - вып. 11.-е. 33-38.

2. Гавриш Е.О. Формирование анизотропии наноструктуры поверхности тонких пленок на основе аморфного углерода. // Сборник трудов VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. -2009.-вып. 3.

3. Гавриш Е.О., Чуйко В.А. Исследование воздействия УФ излучения на поверхность тонких пленок. // Научно-технический вестник. - 2010 -№05(69). - с. 26-29.

4. Коншина Е.А., Гавриш Е.О. Экранирующий эффект ориентирующего жидкие кристаллы слоя а-С:Н. // ПЖТФ. - 2011. - Т. 37. - вып. 10.-е. 21-26.

5. Коншина Е.А., Гавриш Е.О., Орлова А.О., Артемьев М.В. Влияние полупроводниковых квантовых точек на оптические и электрические характеристики жидкокристаллических ячеек. // ПЖТФ. - 2011. - Т. 37. -вып. 21.-е. 47-54.

7. Коншина E.A., Вакулин Д.А., Иванова Н.Л., Гавриш Е.О., Васильев В.Н. Особенности оптического отклика гибридно-ориентированных ячеек с двухчастотным нематическим жидким кристаллом. // ЖТФ. - 2012. -Т. 82. - вып. 5. - с. 66-70.

Подписано в печать: 03.09.12 Формат: 60x84 1/16 Печать цифровая Тираж: 100 экз. Заказ: 287 Отеча1ано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург. Саблинская ул, д.14 +7(812)9151454. zakazirtibir.ni, www.tibir.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Гавриш, Екатерина Олеговна

Обозначения и сокращения

ВВЕДЕНИЕ

I Глава ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Способы ориентации жидких кристаллов

1.2 Ориентирующие слои на основе аморфного 17 гидрогенизированного углерода

1.3 Создание анизотропии поверхности 20 углеродных пленок с помощью обработки её ионными пучками

1.4 Воздействие УФ излучения на поверхность 21 а-С:Н слоев

1.5 Влияние на характеристики ЖК устройств 26 порога электрооптического эффекта

I ^ Влияние на электрооптические характеристики ЖК устройств добавления в них твердых наночастиц

Выводы

II Глава ФОРМИРОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ

ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ

АМОРФНОГО УГЛЕРОДА С ПОМОЩЬЮ УФ

ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Получение ориентирующих слоев аморфного 39 гидрогенизированного углерода

2.2 Исследование воздействия неполяризованного 42 УФ излучения на а-С:Н слои

2.3 Исследование воздействия поляризованного 47 УФ излучения на слои а-С:Н

2.4 Механизмы взаимодействия УФ излучения с 53 прозрачными конденсированными средами

2.5 Расчет мощности УФ излучения, 59 необходимой для создания на поверхности образцов пленки канавок, глубиной менее 100 нм

2.6 Формирование анизотропии поверхности электродного слоя с помощью УФ излучения

Выводы

III Глава ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЯЧЕЕК С НЕМАТИЧЕСКИМ

ЖИДКИМ КРИСТАЛЛОМ И ОРИЕНТИРУЮЩИМ

СЛОЕМ а-С:Н

3.1 Модуляция света в слое нематического ЖК

3.2 Методики определения электрооптических 71 характеристик

3.3 Электрооптический эффект Фредерикса и 73 влияние на него свойств НЖК и ориентирующего слоя

3.4 Экранирующий эффект ориентирующего слоя 78 а-С:Н

3.5 Влияние ориентирующего а-С:Н слоя на 83 динамику оптического отклика ЖК ячеек

3.6 Влияние на оптические и электрические 86 характеристики ячеек с нематическим жидким кристаллом добавления полупроводниковых квантовых точек Сё8е/2п

Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние рельефа поверхности и свойств тонких пленок аморфного углерода на ориентацию и оптические характеристики жидкокристаллических ячеек"

Осуществление ориентации молекул жидких кристаллов является одной из важных технологических операций в изготовлении различных ЖК устройств. Получение однородной ориентации молекул жидкого кристалла необходимо для обеспечения однородности поля директора, определяющего его оптическую ось. Выравнивание молекул в заданном направлении происходит в результате физико-химического взаимодействия жидкого кристалла с поверхностью, обладающей анизотропными свойствами, или в результате фотоиндуцированной ориентации молекул. Известны различные способы ориентации жидких кристаллов, такие как механическое натирание полимерных слоев, наклонное осаждение материалов в вакууме, фотоиндуцированная ориентация, химическое осаждение слоев (chemical vapor deposition - CVD) с помощью плазмы и другие.

Способ создания ориентирующих слоев CVD-технологией основан на деструкции паров углеводородов в плазме тлеющего разряда и осаждении продуктов деструкции на подложки. Метод не требует сложного вакуумного технологического оборудования и допускает его масштабирование. Широкий выбор относительно дешевого жидкого и газообразного углеводородного сырья, используемого для получения ориентирующих слоев, открывает большие возможности химической и физической модификации поверхностных свойств ориентирующих слоев в одном процессе. Ориентирующие слои, полученные CVD технологией из паров углеводородов с помощью плазмы тлеющего разряда, представляют собой тонкие пленки аморфного гидрогенизированного углерода (а-С:Н). В зависимости от условий получения в плазме они имеют полимероподобную (polymer-like carbon) или алмазоподобную (diamond-like carbon) структуру и свойства [1].

Ориентирующие а-С:Н слои, с близким к нулю начальным углом наклона директора, могут быть получены путем осаждения паров углеводорода на подложки, расположенные наклонно относительно электродов плазмы [2]. Однако малый угол может приводить к неоднородности ориентации и визуализации дефектов поверхности, а высокое удельное сопротивление этих диэлектрических слоев способствует повышению порога эффекта Фредерикса. Модификация поверхности а-С:Н слоев путем воздействия на неё УФ излучения позволяет изменять анизотропию рельефа и свойства поверхности, а также варьировать начальный угол наклона директора жидкого кристалла [3].

Основными задачами диссертации, в соответствии с поставленными целями, были следующие исследования:

• закономерностей изменения оптических свойств нематического ЖК и порога электрооптического эффекта в результате добавления в них полупроводниковых квантовых точек.

Для решения поставленных задач в работе были проведены следующие экспериментальные исследования:

• способов формирования анизотропии текстуры ориентирующих жидкие кристаллы слоев на основе аморфного углерода путем воздействия на их поверхность неполяризованного излучения ртутной лампы и поляризованного излучения УФ наносекундного лазера;

• оптических характеристик плоскопараллельных ячеек, заполненных нематическим жидким кристаллом, и влияние на них толщины ориентирующего а-С:Н слоя; в изменения оптических характеристик ячеек с ориентирующим слоем а-С:Н в результате добавления в нематический жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек Сс18е/2п8.

Объектами исследования в этой работе служили ориентирующие а-С:Н слои, полученные из паров ацетона в плазме тлеющего разряда на постоянном токе при давлении в вакуумной камере 5 10"2 Па, слои прозрачного проводящего электрода на основе окислов индия и олова, полученные катодным распылением в аргоновой плазме, а также плоскопараллельные ячейки, собранные из стеклянных подложек, диаметром 35 мм, покрытых этими слоями и заполненных нематическим жидким кристаллом или суспензией жидкого кристалла с полупроводниковыми квантовыми точками.

Исследования характеристик ЖК ячеек, а также начального угла наклона директора и порога электрооптического эффекта проводились с помощью ранее разработанных методик [4]. Контролировалась однородность ориентации и изменение текстуры поверхности слоев в результате воздействия поляризованного УФ излучения. Исследования проводились с использованием поляризационной микроскопии. Результаты воздействия неполяризованного излучения на молекулярную структуру слоев изучались с помощью метода многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО).

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:

3. Установлены закономерности изменения диэлектрической проницаемости, порога электрооптического эффекта Фредерикса, начального утла наклона директора и фазовой задержки света в нематическом жидком кристалле с положительной диэлектрической анизотропией в зависимости от концентрации полупроводниковых квантовых точек Сс18е/7п8, добавленных в него.

Защищаемые положения

2. Для создания нанотекстурированной поверхности ориентирующего а-С:Н слоя необходимо воздействовать на нее УФ излучением с фемтосекундной длительностью импульса, которое, не нарушая целостности этого слоя, может способствовать структурным изменениям в аморфном углероде, сопровождающимся уплотнением его структуры.

4. Увеличение концентрации полупроводниковых квантовых точек в интервале от ОД до 0,2 вес. %, добавленных в нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией, приводит к понижению его диэлектрической проницаемости, а также порога электрооптического эффекта и увеличению начального угла наклона директора.

В первой главе дан литературный обзор теоретических и экспериментальных работ по ориентации нематических жидких кристаллов с помощью а-С:Н слоев и воздействии на них ионных пучков и УФ излучения, а также влияния изменений свойств поверхности на электрооптические характеристики ЖК ячеек. Анализируется возможность получения однородной ориентации НЖК, и влияние разных факторов на порог электрооптического эффекта Фредерикса и начальный угол наклона директора жидкого кристалла, в том числе, в результате добавления наночастиц в жидкий кристалл.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям способов получения анизотропии свойств поверхности тонких слоев аморфного гидрогенизированного углерода путем воздействия на неё УФ излучения для достижения однородной ориентации жидких кристаллов. Приводятся результаты экспериментов по получению а-С:Н слоев с помощью плазмы тлеющего разряда, а также формированию анизотропии свойств поверхности путем воздействия неполяризованного и поляризованного УФ излучения. Анализируются результаты микроскопического исследования поверхности а-С:Н слоев после её обработки, и ориентации на этой поверхности нематического жидкого кристалла. Обсуждаются механизмы взаимодействия УФ излучения с прозрачными диэлектриками, и приводятся результаты расчета плотности мощности УФ излучения, необходимой для создания на поверхности слоя а-С:Н канавок нанометровых размеров.

Третья глава посвящена исследованиям эффекта экранирования напряжения, приложенного к ячейкам с нематическим жидким кристаллом, и влияние на него толщины слоя жидкого кристалла и диэлектрического ориентирующего слоя а-С:Н. Экспериментально исследуется влияние толщины ориентирующего слоя на порог электрооптического эффекта Фредерикса, начальный угол наклона директора, а также характер и динамику оптического отклика нематического жидкого кристалла. Исследуется возможность изменения свойств НЖК и порога

12 электрооптического эффекта путем введения в него полупроводниковых квантовых точек. Анализируются экспериментальные результаты исследования диэлектрической проницаемости, порога, оптических и динамических характеристик ячеек в зависимости от концентрации в ЖК квантовых точек.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

I Межвузовской студенческой конференции, СПБ НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, май 2010 г.; European Conference on Liquid Crystals, February, 2011, Maribor, Slovenia.; International Liquid Crystal Conference, August, 2012, Mainz, Germany.

Публикации

По результатам работы было опубликовано 11 работ, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах: Письма в Журнал технической физики, Научно-технический вестник СПбНИУ ИТМО, Molecule Crystals & Liquid Crystals.

Личный вклад автора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе была исследована ориентация нематических жидких кристаллов на поверхности тонких углеродных а-С:Н пленок и влияние на неё воздействия поляризованного и неполяризованного УФ излучения. Установлено, что воздействие неполяризованного излучения не вызвает изменения молекулярной структуры поверхности слоя а-С:Н, но при этом способствовует усилению силы сцепления молекул ЖК с ориентирующей поверхностью, о чем свидетельствовало уменьшение начального угла наклона директора и повышение порога электрооптического эффекта Фредерикса. Однако с помощью неполяризованного УФ излучения не удалось получить однородную гомогенную ориентацию нематического жидкого кристалла.

Результаты экспериментальных исследований воздействия поляризованного излучения №-лазера показали, что глубину и ширину канавок, образующихся при сканировании поверхности исследуемых образцов, можно изменять не только, варьируя плотность мощности и длительность воздействия излучения, но и скорость перемещения образца относительно падающего пучка. Расчеты показали, что использование фемтосекундного лазера позволяет существенно уменьшить мощность воздействия УФ излучения, что должно позволить формировать нанотекстуру поверхности в результате изменений структуры слоя а-С:Н.

Впервые в этой работе была экспериментально продемонстрирована возможность получения однородной ориентации нематического жидкого кристалла на поверхности слоя а-С:Н, в результате предварительного формирования однонаправленного рельефа поверхности электродного слоя с помощью поляризованного УФ излучения. При использовании данного метода была получена однородная ориентация нематического жидкого кристалла на поверхности тонкой углеродной пленки а-С:Н.

Экспериментальные исследования влияния толщины слоя жидкого кристалла и ориентирующего слоя на электрооптические характеристики ЖК ячеек свидетельствуют об усилении эффекта экранирования напряжения, приложенного к слою ЖК, с увеличением толщины слоя а-С:Н. Экранирующий эффект ориентирующего слоя сопровождается повышением порогового напряжения и уменьшением начального угла наклона директора ЖК.

Экспериментально исследовано влияние концентрации полупроводниковых квантовых точек на порог электрооптического эффекта и диэлектрическую анизотропию жидкого кристалла. Получено снижение порогового напряжения электрооптического эффекта в ячейках со слоем а-С:Н путем добавления квантовых точек в нематический ЖК, сопровождающееся повышением начального угла наклона, что не противоречит существующим теоретическим представлениям о корреляции между этими параметрами. Полученные результаты способствуют пониманию процессов, происходящих на границе раздела фаз при приложении электрического поля к ЖК ячейкам.

Практическая значимость результатов работы

Результаты исследований, связанные с вариацией начального угла наклона директора и корреляции его с порогом электрооптического эффекта, а также влияние на эти параметры добавления в жидкий кристалл полупроводниковых квантовых точек могут служить физической основой дальнейшего совершенствования ЖК технологии. Полученные результаты имеют практическое значение и используются при разработке технологии создания оптических устройств телекоммуникационных систем.

Апробация работы

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гавриш, Екатерина Олеговна, Санкт-Петербург

1. Коншина Е.А. Методы получения и свойства ориентирующих жидкие кристаллы слоев на основе аморфного углерода. // Оптический журнал. 2011. - Т. 78. - № 2. - С. 72-83.

2. Коншина Е.А. Взаимодействие между нематическим жидким кристаллом и аморфными углеводородными ориентирующими слоями. // Кристаллография. 1995. - Т. 40. - № 6. - С. 1074-1076.

3. Коншина E.A., Федоров M.A., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами. // Оптический журнал. 2006. - Т. 73. - вып. 12. - С. 9-13.

4. Lee Ch.-Y., Liu Y.-L., Kuen Y.W., Chen M.-Y., Hwang J.-Ch. Argon plasma beam scanning processes on polyimide films for liquid crystal alignment. // Japanese Journal of Applied Physics. Vol. 47. - No 1. - 2008. - pp. 226-230.

5. Dubois J.C., Gazard M., Zann A. Plasma-polymerized films as orientating layers for liquid crystals. //Applied Physics Letters. 1974. - Vol. 24. - No. 7. -P. 297-300.

6. Dubois J.C., Gazard M., Zann A. Liquid-crystal orientation induced bypolymeric surfaces. // Journal of Applied Physics. 1976. - Vol. 47. - No. 4.1. P. 1270-1274.

7. Watanabe R., Nakamo Т., Satoh Т., Hatoh H., Onki Y. Plasma-polymerized films as orientating layers for LCs. // Japanese Journal of Applied Physics. 1987. - Vol. 26. - No. 3. - P. 373-376.

8. Sprokel G.J., Gibson R.M. Liquid crystal alignment produced by RF plasma deposited films. // Journal Electrochemistry Sociaty. 1977. - Vol. 124. -No. 4.-P. 557-561.

9. Konshina E.A. Alignment of nematie LCs on the surface of amorphous hydrogenated carbon. // Proc. SPIE. 1995. - Vol. 2731. - P. 2024.

10. Коншина E. А., Вангонен А. И. Особенности колебательных спектров алмазоподобных и полимероподобных пленок а-С:Н. // Физика и техника полупроводников. 2005. - Т. 39. - вып. 5. - С. 616-621.

11. Коншина Е.А., Толмачев В.М., Вангонен А.И., Фаткулина JI.A. Исследование свойств плазменно-полимеризованных слоев и влияния их на ориентацию нематических жидких кристаллов. // Оптический журнал. 1997. -Т. 64.-№5.-С. 88-95.

12. Коншина Е. А., Федоров М. А., Иванова Н. JI, Амосова JI. П. Аномальное пропускание света нематическими жидкокристаллическими ячейками. // Письма в ЖТФ. 2008. - Т. 34. - вып. 2. - С. 39-45.

13. Hwang J.-Y., Jo Y.-M., Seo D.-S., Jang J. Liquid crystal alignment capability by the UV alignment method in a-C:H thin films. // Japanese Journal of Applied Physics. Part 2: Letters. - 2003. - Vol. 42. - No 2A. - LL. 114-116.

14. Grigonis A., Rutkuniene Z., Medvid A., Onufrijevs P., Babonas J. Modification of amorphous a-C:H films by laser irradiation. // Lithuanian Journals of Physics. 2007. - Vol. 47. - No 3. - pp. 343-350.

15. Miyajima Y., Adikaary A.A.D.T., Henley S.J., Shannon J.M., Silva S.R.P. Electrical properties of pulsed UV laser irradiated amorphous carbon. // Applied Physics Letters. 2008. - Vol. 92. - 152104.

16. Блинов JT.M. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. // М.: Наука.- 1978.-384 с.

17. Turnbull R.J. Theory of electrohydrodynamic behaviour of nematic liquid crystals in a constant field. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. - Vol. 6. - P. 1745-1754.

18. Meizi Jiao, Zhibing Ge, Qiong Song, Shin-Tson Wu. Alignment layer effects on thin liquid crystal cells. // Applied Physics Letters. 2008. - Vol. 92. -P. 061102 1-3.

19. Jiao M., Ge Zh., Song Q., Wu Sh-T. Alignment layer effects on thin liquid crystal cells. // Applied Physics Letters. 2008. - Vol. 92. - 061102. - pp. 1-6.

20. Lee W., Wang Ch-Y., Shih Y-Ch. Effects of carbon nanosolids on the electro-optical properties of a twisted nematic liquid-crystal host. // Applied Physics Letters. 2004. - Vol. 85. - No 4.

21. Коншина E.A. Осаждение пленок a-C:H в тлеющем разряде на постоянном токе с областью магнетронной плазмы, локализованной вблизи анода. // ЖТФ. 2002. - Т. 72. - вып. 6. - С. 35-40.

22. Коншина Е.А. ЖК модулятор и способ его изготовления. // Патент РФ. № 95111345 - 1997.06.20. - G02F1/13.

23. Vangonen A.I., Konshina Е.А. ATR-IR spectroscopy study of NLC orientation at the plasma-polymerized layers surface. // Molecule Crystal & Liquid Crystal. 1997. - Vol. 304. - P. 507-512.

24. Konshina E.A., Tolmachiev V.A., Vangonen A.I., Onokhov A.P. Novel alignment layers produced by CVD technique from hydrocarbon plasma. // Procc. SPIE. 1997. - Vol. 3015. - P. 52-60.

25. Коншина E.A., Федоров M.A. Влияние граничных условий на фазовую модуляцию света в случае s-эффекта нематика. // Письма в ЖТФ. 2006. - Т. 32. -вып. 22. - С. 15-21.

26. Исаев М.В., Коншина Е.А., Онохов А.П., Туровская Т.С. Влияние структуры поверхности конденсированных слоев на ориентацию жидких кристаллов.//ЖТФ. 1995.-Т. 65.-№ 10.-С. 175-180.

27. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П., Воронин Ю.М. Влияние поверхности на фазовую модуляцию света в слое нематического жидкого кристалла. // ЖТФ. 2008. - Т. 78. - вып 2. - С. 71-76.

28. Коншина Е.А., Вангонен А.И. Исследование ориентации тонких пленок нематика методом ИК спектроскопии многократно нарушенногополного внутреннего отражения. // Оптический журнал. 1998. - Т. 65. -№ 7. - С. 34-38.

29. Вангонен А.И., Коншина Е.А., Толмачев В.А. Адсорбционные свойства слоев веществ, ориентирующих жидкие кристаллы. // ЖФХ. 1997. -Т. 71.-С. 1102-1103.

30. Гавриш Е.О. Формирование анизотропии наноструктуры поверхности тонких пленок на основе аморфного углерода. // Сборник трудов конференции молодых ученых. Оптоинформатика, наносистемы и теплотехника. СПб: СПбГУ ИТМО. - 2009. - вып. 3. - с. 263.

31. Гавриш Е.О., Чуйко В.А. Исследование воздействия УФ излучения на поверхность тонких пленок. // Научно-технический вестник. 2010. - вып. 69. - № 5. - с. 26-29.

32. Григорьянц А.Г., Богданова М.А. Особенности взаимодействия лазерного излучения с прозрачными диэлектриками. // Наука и образование. -2012. -№ 3.

33. Либенсон М.Н. Поверхностные электромагнитные волны в оптике. // Соровский образовательный журнал. 1996. - № 11.-е. 103-110.

34. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Справочник. // М. -Атомиздат. 1976.

35. Коншина Е.А. Взаимодействие интенсивного лазерного ИК излучения с защитными покрытиями а-С:Н. // Журнал технической физики. -1998.-Т. 68.-№9.-с. 62.

36. Чигринов В.Г. Ориентационные эффекты в нематических жидких кристаллах в электрическом и магнитном полях // Кристаллография. 1982. -Т. 27. - вып. 2. - С. 404-430.

37. Hwang S. J., Lin S.-T., Lai C.-H. A novel method to measure the cell gap and pretilt angle of a reflective liquid crystal display. // Opt. Comm. 2006. -Vol. 260. - P. 614-620.

38. Гавриш E.O. Исследование оптических характеристик жидкокристаллических устройств с ориентирующим слоем а-С:Н. // СПб. -Сборник тезисов VII Всероссийской Межвузовской Конференции молодых ученых. апрель 2010.

39. Коншина Е.А., Костомаров Д.С. Фазовая модуляция света в двухчастотном нематическом жидком кристалле. // Оптический журнал. -2007. Т. 74. - № 10. - с. 88-90.

40. Коншина Е.А., Гавриш Е.О. Экранирующий эффект ориентирующего жидкие кристаллы слоя а-С:Н. // ПЖТФ 2011. 2011. - Т. 37.-вып. 10.-с. 21-26.

41. Амосова Л.П., Васильев В.Н., Иванова Н.Л., Коншина Е.А. Пути повышения быстродействия электроуправляемых оптических устройств на основе нематических жидких кристаллов // Оптический журнал. 2010. - Т. 77.-№2.-С. 3-14.

42. Mizusaki М., Miyashita Т. Uchida Т., Yamada Y. Ishii Y. Mizushima S. Add multi-walled carbon nanotube/silver polyurethane composite films for electrostatic protection. // Journal of Applied Physics. 2007. - Vol. 102. - P. 014904 1-6.

43. Gavrish E.O., Galin I.F., Konshina E.A. Screening effect of a-C:H alignment layer and its influence on characteristics of LC cells. // Molecule Crystals & Liquid Crystals. 2012. - Vol. 553. - Issue. 1. - pp. 44-49.

44. Hegmann Т., Qi H., Marx V. M. Nanoparticles in liquid crystals: synthesis, self-assembly, defect information and potential application. // Journal of1.organic and Organometallic Polymers and Materials. 2007. - Vol. 17. - No. 3. -P. 483-508.

45. Sikharulidze D. Nanoparticles: An approach to controlling an electro-optical behavior to nematic liquid crystals. // Applied Physics Letters. 2005. -Vol. 86.-P. 033507 (1-3).

46. Basu R., Iannacchione G. S. Evidence for directed self-assembly of quantum dots in a nematic liquid crystal. // Physical Review E. 2009. - Vol. 80. -P. 010701.

47. Zhang Т., Zhong C., Xu J. CdS-Nanoparticle-Doped Liquid Crystal Displays Showing Low Threshold Voltage // Japanese Journal of Applied Physics. 2009. - Vol. 48. - P. 055002 (1-6).

48. Коншина E.A., Гавриш E.O., Орлова A.O., Артемьев М.В. Влияние полупроводниковых квантовых точек на оптические и электрические характеристики жидкокристаллических ячеек. // ПЖТФ. 2011. - Т. 37. -вып. 21. - с. 47-54.