ВВЕДЕНИИ
ОГЛАВЛЕНИЕ
4
Глава 1. теоретические и эксперимы стальные исследования п.слнлию-
ОРИЕНГГИГОВАННЫХ ПЛЕНОК КАПСУЛИРОВАННЫХ ПО ЛИМЕ ЮМ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТ АЛЖЭВ (ОБЗОР)
1.1. Классификация жидких кристаллов. Структура ахиральных и хиральных
нематиков (холестериков) 10
1.2.Капсулнрованныс полимером жидкие кристаллы: общая характеристика и
применения 12
1.3. Методы приготовления КІІЖК пленок 15
1 АІЬіанарно-ориснтированньїе КМЖК пленки с биполярными каплями
нематика 19
1.5. Исследования процесса переориентации биполярных капель нематика в
электрическом поле 21
1.6. Исследования характеристик светопропускаиия К11ЖК пленок с
биполярными каплями нематика 24
1.7. Планарно-ориентированные КПЖК пленки на основе хиральных
нематиков 26
1.8. Постановка задачи 23
Глава 2. Методика и техника эксперимента
2.1. Выбор материалов и их характеристики 30
2.2. Приготовление нланарно-ориеігтированньїх образцов КПНЖК пленок и
методика их одноосного упорядочения 21
2.3. Методика исследования морфологических характеристик композитных
пленок и ориеіггационной структуры капель ЖК 33
2.4. Экспериментальная установка и методика электрооптических
исследований КПНЖК пленок —І4
Глава 3. Ориентаііионно-структурііьіе превращения в биполярных каплях
НЕМАТИКА С ЖЕСТКО ФИКСИРОВАННЫМИ ПОЛЮСАМИ И ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА планарно-ориентированных КПНЖК пленок
3.1. Экспериментальное исследование текстуры биполярных капель нематика с жестко фиксированными полюсами и се изменения под действием электрического ПОЛЯ__________________________________________________________38
з
3.2. Расчет ориентационной структуры в биполярной капле нематика с жестко
фиксированными полюсами в электрическом поле 45
3.3. Экспериментальные исследования характеристик с ветопро пускания
планарно-ориентированных КПНЖК пленок в зависимости от
приложенного напряжения 53
3.3.1. Зависимость характеристик свстопропускания от размеров капель
нематика 53
3.3.2. Спектральная зависимость кривых свстопропускания 58
3.3.3. Влияния толщины образцов на электрооптичсскис
характеристики 60
3.3.4. Исследования прямо проходящего и рассеянного под углом света 62
3.4. Анализ зависимости светопропускания от приложенного поля в рамках
приближения аномальной дифракции 68
Глава 4. Влияния деформации одноосного растяжения на структурные и
ЭЛЕКТРООПТИКЕ СКИН СВОЙСТВА КПНЖК ПЛЕНОК
4.1. Зависимость формы капель НЖК и толщины композитной пленки от
степени ее растяжения 75
4.2. Влияние анизометрии капель нематика на характеристики
светопропускания КПНЖК пленок 80
4.3. Зависимость порогового поля от размера капель НЖК и их анизометрии 84
Глава 5. Особенности электроошических и структурных свойств одноосно
ориентированных КПНЖК пленок, легированных холестериком
5.1.Анизотропия светопропускания и ориентационная структура КПНЖК
пленок с малой концентрацией хиральной добавки в зависимости от
величины ПОЛЯ 88
5.2.Эффект расщепления пороговых параметров поляризованных компоногг
светопропускания в КПНЖК пленках со средним содержанием хиральной
добавки 94
5.3. Инверсия анизотропии светопропускания КПНЖК пленок с высокой
концентрацией холестерика и ее взаимосвязь с ориентационно -
структурными превращениями капель 106
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 114
ЛИТЕРАТУРА 117
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время продолжаются интенсивные работы по созданию и исследованию новых композитных материалов на основе анизотропных сред Одним из таких материалов являются капсул ированные полимером нематические жидкие кристаллы (КПНЖК), представляющие собой, как правило, тонкую полимерную пленку с диспергированными в ней каплями нематика микронных размеров. Сложное структурное упорядочение жидкокристаллической и полимерной фаз в этих системах приводит к качественно иным проявлениям известных физических свойств нематика и возникновению ряда новых эффектов, требующих специального изучения. С другой стороны, сочетая в себе лучшие эксплуатационные характеристики чистых жидких кристаллов (высокая восприимчивость к внешним воздействиям, малое энергопотребление) и полимерных пленок (гибкость, прочность, простота изготовления), КПНЖК материалы являются весьма перспективными при использовании в устройствах оптической обработки информации, оптических модуля горах и затворах
Оптические и элсктрооптичсскис свойства КПНЖК пленок в основном определяются ориентационной структурой капель нематика и ее трансформацией в электрическом поле. Сложность обобщенного описания таких систем с учетом всех факторов (материальных параметров среды, энергии сцепления молекул НЖК и полимера, размера и формы капсул, напряженности электрического поля) требует отдельного рассмотрения каждого частного случая.
Наиболее изученными на сегодняшний день и эффективными при использовании в качестве электрооптичсского материала являются КПНЖК пленки с биполярной конфигурацией директора в каплях, реализующейся при тангенциальных условиях на границе НЖК-иолимср. Новые физические эффекты, расширяющие функциональные возможности таких пленок, дает их модификация в планарно-ориентированное состояние, при котором оси биполярной конфшурации лежат в плоскости пленки, или в одноосно ориентированное состояние с однонаправленной ориентацией осей симметрии капель.
Актуальность проведения исследований по теме диссертации определялась следующим:
- существующая до начала работы над диссертацией модель переориентации биполярных капель нематика во внешнем поле ограничивалась рассмотрением случая подвижных полюсов (передвижения полюсов капли по поверхности капли без разрушения се исходной ориентационной структуры). При этом не исключалась возможность жесткой фиксации полюсов, однако, для ансамбля капель данный тип переориентации не был выявлен и оставался не изученным. Не бьши также исследованы особенности элсктрооптнчсскнх свойств КПНЖК пленок с такими каплями.
проведенные ранее исследования одноосно ориентированных КПНЖК пленок касались в основном их оптических свойств и не рассматривали подробно
элсктроонтические характеристики.
- не было изучено влияние хиральной добавки в нематик на электрооптические и структурные свойства одноосно ориентированных композитных пленок с каплями эллипсоидальной формы.
Целью диссертационной работы являлось исследование особенностей
электрооптическнх и структурных свойств планарно-ориентированных КПНЖК пленок с биполярными каплями нематика с жестко фиксированными полюсами при одноосной механической деформации образцов и легировании нематика хиральной добавкой.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
• Приготовление образцов планарно-ориентированных КПНЖК пленок с монослойным расположением капель нематика и разработка методики их
комплексных исследований
• Экспериментальное исследование и расчет ориентационной структуры
биполярных капель нематика с жестко фиксированными полюсами и се трансформации под действием электрического поля.
• Измерение и анализ характеристик свстопропускагшя КПНЖК пленок с каплями различного размера в зависимости от величины приложенного к пленке поля, длины волны излучения, толщины образцов.
• Изучение влияния деформации одноосного растяжения или сдвига на структуру и электроопттгческис свойства исследуемых КПНЖК пленок.
6
• Экспериментальное исследование особенностей ориентационно-структурных переходов и элсктрооптических свойств ансамбля эллипсоидальных капель хиральных нематиков.
Научная новизна
1. Отработана методика экспериментальных исследований элсктрооптических и структурных свойств КПНЖК пленок в процессе их одноосной ориентации методом растяжения или сдвига.
2. Покатано, что в ансамбле капель нематика 511Б. диспергированного в поли в инил бутиралс, реализуется жесткая фиксация полюсов биполярной конфшурации в процессе переориентации капель электрическим полем. Обнаружено возникновение дополнительных дисклинаций в каплях на стадии, предшествующей их полной переориентации.
3. Теоретически предсказан и экспериментально подтвержден двойственный характер переориентации биполярных капель нематика с жестко фиксированными полюсами: пороговый в области, где исходная ориентация директора была ортогональна полю, и беспороговый для остального объема капли. Получено соотношение для определения критического поля.
4. Проведены комплексные исследования характеристик свстопропускания планарно-ориентированных КПНЖК пленок в зависимости от приложенного электршссского поля, размеров капель нематика, длины волны излучения, толшины образцов. Показан и обсужден эффект интерференционного ослабления и усиления света в монослойных КПНЖК пленках под действием электрического поля.
5. Исследовано влияние одноосной деформации КПНЖК пленок ка зависимости их свстопропускания от приложенного поля, а также форму капель нематика. Измерены и проанализированы зависимости пороговых полей переориентации эллипсоидальных капель нематика разных размеров от параметра их анизометрии.
6. Экспериментально исследованы особенности ориентационно-структурных переходов в эллипсоидальных каплях хиральных нематиков и их проявление в элекфооптическом отклике одноосио ориентированных композитных пленок.
7
• Разработана методика измерения и расчета пороговых параметров характеристик свстопропускания планарно-ориентированных КГ1ЛЖК пленок с жесткой фиксацией полюсов в биполярных каплях нематика.
• Показана возможность разработки высококонтрастного низковольтного модулятора света на базе планарно-ориентированной КПНЖК пленки с монослойным расположением капель нематика. Повышение эффекгивности рассеииаюшего состояния на порядок и более достигается за счет использования эффекта интерференционного ослабления света композит ной пленкой.
• Предложено использовать одноосно ориентированные КПНЖК пленки в качестве материала для поляризационных фильтров с электроуправляемой эффективностью поляризации света. Основанные на эффекте анизотропии светорассеяния, такие поляризаторы могут успешно использоваться при работе с интенсивными потоками излучения в широком спектральном диапазоне.
• Показана возможность изготовления поляризационно-селективных модуляторов света на основе одноосно ориентированных КПНЖК пленок, легированных холестериком. В зависимости от величины приложенного поля такой модулятор может находиться в трех различных оптических состояниях: рассеивать свел любой поляризации, пропускать только одну плоскополяризованнуто компоненту света и быть прозрачным для света любой поляризации.
Основные положения н результаты, выносимые на защиту
1. Результаты экспериментальных исследований текстуры биполярных капель нематика с жестко фиксированными полюсами и ее изменений под действием электрического поля.
2. Расчет ориентационной структуры в биполярной капле нематика при условии жесткого планарного сцсплснис молекул НЖК с поверхностью полимерной матрицы в зависимости от величины элекгрнческою поля, направленною перпендикулярно оси симметрии капли. Двойственный характер переориентации нематика в таких кашлях.
3. Экспериментальные зависимости свстопропускания планарно-ориентированных КПНЖК пленок от величины приложенною электрического поля и их изменения
8
при варьировании размеров капель нематика, длины волны излучения, толщины образцов Эффект 1Штерферс1щионных осцилляций данных характеристик для образцов с монослойным упорядочением капель размером более 5 мкм
4. Анализ осциллирующего поведения характеристик с вето пропускания в рамках приближения аномальной дифракции с использованием результатов расчета ориентационной структуры капли НЖК
5. Результаты экспериментальных исследований изменения формы капель нематика и толщины композитной пленки при ее одноосном растяжении. Результаты измерений и анализ зависимости порогового поля переориентации капель от их величины и анизометрии. Зависимость анизотропии свстопропускания одноосно ориентированных КПНЖК пленок от величины приложенною электрического поля.
6. Зависимость характера переориентации в электрическом поле эллипсоидальных капель хиральных нематиков от концентрации хиральной добавки Эффект расщепления пороговых параметров характеристик свегопроиускаиия поляризованных компонент в КПНЖК пленках с умеренным содержанием холестерика и его практическое применение.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись на XVI International Liquid Crystal Conference (Kent, USA, 1996); 5-ом Международном симпозиуме "Современные средства отображения информации" (Минск, Беларусь, 1996); 3-см Российско-Китайском симпозиуме но лазерной физике и лазерным технологиям
|L
(Красноярск, 1996); VII International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals (Heppenheim, Germany, 1997); Международном симпозиуме ‘‘Optical Information Science and Technology” (Москва, 1997); Всероссийской научно-иракгической конференции молодых специалистов "Решетнсвские чтения" (Красноярск. 1997), конку рсе работ молодых ученых КН1Д СО РАН (Красноярск, 1997); XVII International Liquid Crystal Conference (Strasbourg, Fiance, 1998); Международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения” (Новосибирск. 1998), 18:h International Display Research Conference ‘‘Asia Display 98” (Seoul, Korea, 1998); 7th International Symposium "Advanced display technologies” (Minsk, Belarus, 1998).
9
По теме диссертация опубликовано 26 работ, в том числе 8 статей в отечественных и зарубежных академических журналах (Письма в ЖЭТФ, Доклады Академии наук. Письма в ЖТФ, ПТЭ, Mol.Cryst.Liq.Cryst., SPIE Proceedings), один патагг РФ. 6 статей в сборниках материалов конференций, 3 препринта и 8 тезисов конференций.
10
Глава 1. Теоретически*: и экспериментальные исследования
ПЛАНАРНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПЛЕНОК КАПОЛИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОМ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ (ОБЗОР)
1.1. Классификация жидких кристалл о». Структура ахиральных и хиральных нематиков (холестериков)
Термин жидкий кристалл (ЖК) впервые был использован Леманом [1) при обозначении нового состояние вещества, промежуточного между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью. Эквивалентным ему понятием является мезофаза (от греческого мезо • промежуточный) или мезоморфная фаза, введенным Фриделем (2]. Образование мезоморфной фазы из кристаллической проходит либо при взаимодействии вещества с растворителями (лиотропные ЖК), либо при его нагревании {термотропные ЖК). В зависимости от формы молекул или молекулярных групп, составляющих мезофазу, все ЖК подразделяют на качамитные (стержнеобразная форма) и дискотические (дискообразная форма). Исследуемые в данной работе жидкие кристаллы относятся к термотропным калам итикам.
В основе современной классификации термотропных жидких кристаллов [3-6] лежат работы Фрнделя [2], который разделил их на нематические (от |рсчсского улцла - нить) и смектические (от греческого ирчу/ра - мыло). Все типы смектиков, известных на сегодняшний день характеризуются слоистой структурой и отличаются друг от друга различной упаковкой молекул в слоях. Нематические жидкие кристаллы подразделяются на ахиральные (собственно нематики) и хиральные (холестерики).
На рис. 1 представлена структура упорядочения молекул в ахиральной нематической мезофазе. Петры масс стержнеобразных молекул нематика расположены в пространстве хаотично, однако, длинные оси молекул ориентированы преимущественно в одном направлении, характеризуемом единичным
Рис. 1. Структура нематической мезофазы.
- Київ+380960830922