2
Оглавление
Введение....................................................................4
Глава 1. Обзор литературы по электрооптическим свойствам микронеоднородных жидкокристаллических материалов и их использованию в устройствах управления световым излучением..........................................................8
1.1. Общие сведения о жидкокристаллических материалах......................8
1.2. Механизмы воздействия электрического поля на структуру нематического жидкого кристалла......................................................14
1.3. Применения жидкокристаллических материалов в электрооптических устройствах управления световым излучением.............................18
1.3.1. Дефлекторы на клиновидной деформации............................20
1.3.2. Дефлекторы на явлении нарушенного полного внутреннего отражения 22
1.3.3. Волноводные модуляторы па жидких кристаллах.....................25
1.4. Ключевые требования к жидкокристаллическим материалам в современных устройствах и системах оптоволоконной техники..........................30
1.4.1. Оптическая прозрачность.........................................30
1.4.2. Потери..........................................................31
1.4.3. Зависимость от поляризации и дисперсия в режиме поляризации 32
1.4.3. Зависимость от длины волны и хроматическая дисперсия............33
1.4.4. Время отклика...................................................34
1.4.5. Температурная зависимость.......................................35
1.4.6. Примеры использования жидких кристаллов в современных оптоволоконных устройствах........................................36
1.5. Постановка задач и выбор объектов исследования.......................39
1.5.1. Задачи исследования.............................................39
1.5.2. Объекты исследования............................................41
Глава 2. Разработка экспериментальных установок и методики исследования структуры и электрооптических явлений в микронеоднородных слоях и в эмульсиях жидких кристаллов.................................................44
2.1. Блок-схемы экспериментальных установок для исследования электрооптических явлений в микронеоднородных жидкокристаллических материалах.............................................................44
2.1.1. Установка для исследования распространения света в плоскости слоя
ЖК.....................................................................44
2. У. 2. Установка для исследования распространения света в эмульсиях жидких кристаллов.................................................48
2.2. Конструкции измерительных ячеек......................................51
2.3. Методы получения эмульсий жидких кристаллов..........................54
2.4. Методы контроля свойств микронеоднородных ЖК материалов..............55
2.4.1. Контроль структуры микронеоднородных ЖК материалов методом цифровой микроскопии..............................................55
2.4.2. Оценка размера капель ЖК в эмульсиях методом динамического рассеяния света...................................................55
2.4.3. Контроль характеристик фазового перехода в каплях ЖК в эмульсиях акустическим методом..............................................59
2.5. Разработка элементов автоматизации измерений и обработки данных 61
2.6. Выводы по второй главе...............................................63
3
Глава 3. Исследование ориентационной структуры и электрооптических явлений в слое жидкого кристалла с неоднородностями, индуцируемыми электрическим полем.......................................................................65
3.1. Изучение отражения и преломления света в слое нематического жидкого кристалла с переменой ориентацией директора, индуцированной электрическим полем..................................................................65
3.1.1. Вводные замечания..............................................65
3.1.2. Условия проведения эксперимента................................65
3.1.3. Отражение и преломление света, распространяющегося в плоскости
слоя ЖК................................................................68
3. 1. 4. Гчубина модуляции и врет отклика для луча света в ЖК слое при включении и выключении электрического поля.............................76
3.2. Численное моделирование ориентационной структуры и распространения световой волны в слое жидкого кристалла с неоднородностями ориентации, индуцированными электрическим полем....................................77
3.3. Изучение фокусировки световой волны, распространяющейся в слое НЖК в канале, образованном участками ЖК с различной ориентацией директора 92
3.3.1. Фокусировка света в плоском прямолинейном канале...............92
3.3.2. Фокусировка света в плоском криволинейном канале...............95
3.4. Выводы по третьей главе.............................................98
Глава 4. Исследование структуры, физических свойств и электрооптических эффектов в эмульсиях жидких кристаллов.....................................102
4.1. Структура и физические свойства эмульсий жидких кристаллов.........103
4.1.1. Определение размеров капель ЖК и распределения капель ЖК по размерам в эмульсиях..............................................104
4.1.2. Оценка характеристик фазовых переходов в каплях ЖК в эмульсиях по акустическим, данным..............................................107
4.2. Исследование прохождения света через слой эмульсии жидкого кристалла 111
4.2.1. Прохождение света через насыщенный раствор и эмульсию жидкого кристалла при температурах вблизи точки расслаивания..............111
4.2.2. Прохождение света через слой эмульсии ЖК в пульсирующем электрическим полем...............................................113
4.3. Исследование влияния электрического поля на структуру и фазовое равновесие в эмульсии жидкого кристалла...............................117
4.3.1. Деформация и слияние капель ЖК в электрическом поле............117
4.3.2. Фазовое равновесие в эмульсии капли нематика - изотропная фаза жидкого кристалла в электрическом поле............................124
4.3.3. Перемещение капель в эмульсии ж.идкого кристалла в неоднородном электрическом поле................................................132
4.4. Выводы по четвертой главе..........................................134
Выводы.....................................................................136
Литература.................................................................139
Приложение.................................................................149
4
Введение
Актуальность темы. Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям электрооптических свойств жидкокристаллических (ЖК) систем с различным типом пространственной неоднородности. Структура жидких кристаллов (ЖК) занимает промежуточное положение между анизотропными телами и изотропными жидкостями. Характерной особенностью жидких кристаллов является высокая чувствительность к различным внешним воздействиям, таким, например, как температура и электрическое поле. Микронеоднородные ЖК системы в последнее время находят широкое применение при разработке дисплеев, индикаторов, устройств хранения информации и т.п.
Прикладное значение данной работы состоит в обнаружении новых электрооптических эффектов в слоях с переменой ориентацией директора и в ЖК эмульсиях, которые мог>гт найти применение в устройствах оптоволоконной техники.
В научном плане исследование локальных электрооптических свойств в микронеоднородных ЖК системах позволяет получить ценную информацию о структуре и молекулярной природе ЖК в условиях сильных пространственных ограничений.
Полученные экспериментальные данные позволили проверить результаты теоретического моделирования поведения ориентационной структуры пространственно неоднородных ЖК систем, подверженных воздействию электрических полей, а также особенностей распространения световых волн в данных системах.
Цель работы. Изучение электрооптических свойств микронеоднородных жидкокристаллических сред с различной структурой - слоев жидких кристаллов с индуцированной
5
электрическим полем пространственной неоднородностью ориентационной структуры, а также эмульсий жидких кристаллов в изотропной жидкости.
Достижение данной цели включает решение следующих частных задач:
- развитие методики и техники экспериментальных исследований электрооптических свойств микронеоднородных сред на основе жидких кристаллов;
- поиск и детальное экспериментальное исследование новых электрооптических эффектов в данных средах, представляющих практический интерес;
- теоретический анализ обнаруженных эффектов в рамках физических моделей, соответствующих по основным параметрам проведенным экспериментам, с широким использованием компьютерной обработки полученных результатов и численного моделирования эксперимента;
- разработку практических рекомендаций по использованию результатов исследования для создания на основе микронеоднородных сред элементов управления оптическим излучением (затворов, переключателей, аттенюаторов и т.д.).
Научная новизна. Впервые экспериментально исследованы электрооптические эффекты: отражения, преломления, фокусировки и расхождения световой волны, распространяющейся в плоскости слоя ЖК при наличии индуцированных электрическим полем граничных областей между участками с различной ориентационной структурой. Впервые измерены электрооптические характеристики и глубина оптической модуляции в микроэмульсиях жидких кристаллов; установлено уменьшение времени ориентационной релаксации с уменьшением размера капель ЖК. Впервые обнаружены эффекты:
6
формирования дисперсной мезофазы в слое жидкого кристалла под действием переменного электрического ПОЛЯ.
Практическая ценность. Установлена возможность управления с помощью электрического поля оптическими лучами, распространяющимися в плоскости жидкокристаллического слоя за счет отражения и преломления световых волн на границе раздела участков Ж К с различной ориентацией. Экспериментально реализован управляемый полем оптический канал с границами, образованными переходными областями в слое ЖК с изменяющейся ориентацией директора от планарной ориентации во внешней относительно канала области ЖК до гомеотропной ориентации ЖК внутри оптического канала. Созданы экспериментальные установки для исследования электрооптических эффектов в микронеоднородных
жидкокристаллических средах с различной ориентационной
структурой. Установки позволяют проводить микроскопические и
фотометрические измерения при различных температурах и напряженностях электрического поля; при различных режимах освещения образцов. Это позволило получить достоверную
информацию об электрооптических характеристиках исследованных микронеоднородных жидкокристаллических систем. Полученные температурные и временные зависимости электрооптических свойств микродисперсных фаз жидких кристаллов являются научной основой для практического применения микронеоднородных сред на основе жидких кристаллов в качестве рабочих тел в устройствах волоконной оптики и устройствах отображения информации.
Автор защищает. Методику экспериментального исследования и результаты численного моделирования электрооптических эффектов в микронеоднородных жидкокристаллических средах. Обнаруженные закономерности в изменении ориентационной структуры и в
7
распространении света в микронеоднородных жидкокристаллических средах - в слое жидкого кристалла и в эмульсии жидкого кристалла, при воздействии электрического поля.
Апробация работы. Содержание работы докладывалось: на V международной конференции по лиотропным жидким кристаллам, Иваново, 2003; на международной школе молодых ученых “IV Чистяковские чтения”, Иваново, 2004; на 15-й 16-й сессиях Российского Акустического Общества, Москва, 2004-2005; на 20-й международной конференции по жидким кристаллам, Lubljana, Slovenia, 2004; на 21-й международной конференции по жидким кристаллам, Colorado, USA, 2006; на международном конгрессе “Лазеры и моделирование оптоволоконных сетей”, Харьков, Украина, 2006; на 6-м международном конгрессе “Численное моделирование оптоэлектронных устройств”, Singapore, 2006; на 13-м международном симпозиуме по дисплеям, Otsu, Japan, 2006;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она содержит 106 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 1 таблицу. Список литературы содержит 108 наименований.
Благодарности. Автор выражает благодарность С.В. Пасечнику за инициирование работы и помощь в ее выполнении; Д.А.Яковлеву за плодотворное обсуждение результатов и помощь в проведении численного моделирования; В.А Цветкову и Г.И. Максимочкину за поддержку и уроки по технологии изготовления ячеек; профессору В.Г. Чигринову за помощь в организации экспериментальных исследований на базе Гонг-Конгского университета науки и технологии и в обсуждении отдельных результатов; Е.И. Рюмцеву и С.Г. Филиппову за помощь в организации и проведении эксперимента по динамическому рассеянию света в эмульсиях жидких кристаллов. Исследования, представленные в диссертационной работе, поддерживались грантом РФФИ № 05-01-08085-ОФИа.
Глава 1. Обзор литературы по электрооптическим свойствам микронеоднородных жидкокристаллических материалов и их использованию в устройствах управления световым излучением
В данном разделе приводятся основные теоретические представления и экспериментальные данные о структуре жидких кристаллов и известных электрооптнческих свойствах микронеоднородных сред на основе жидких кристаллов, позволяющие рассматривать их как перспективные среды для использования в устройствах управления световым излучением. Особое внимание уделено обзору применений жидкокристаллических материалов в электрооптических устройствах и анализу перспектив их использования в оптоволоконных приложениях. Сформулированы задачи исследования. Обоснован выбор объектов исследования -микронеоднородных жидкокристаллических сред с различной ориентационной структурой: слоев жидких кристаллов с
индуцированной электрическим полем неоднородностью
ориентационной структуры и эмульсий жидких кристаллов, состоящих из капель жидкого кристалла, помещенных в изотропную жидкость.
1.1. Общие сведения о жидкокристаллических материалах
Жидкокристаллическими свойствами обладают десятки тысяч синтезированных химических соединений. Основные классы жидких кристаллов - нематические, смектические и холестерические жидкие кристаллы [1,2, 3,4].
Нематические жидкие кристаллы. Современные
жидкокристаллические материалы, используемые в электрооптических устройствах, содержат от 5 до 20 органических соединений,
9
получаемых многоступенчатым синтезом [5]. Известно, что нематики это ЖК со структурой, изображенной на рис. 1.1. Их основное отличие от изотропных жидкостей - наличие ориентационной степени свободы - так называемого директора.
I,), ,v,iiV, ^ 111 111,1
iVi 11Vi / ill iViVii
* 1> 0
Рис. 1.1. Молекулярный порядок в жидких кристаллах:
а - кристаллическая фаза, b - нематическая фаза, с - изотропная
фаза.
В нематических жидких кристаллах свойства сильно зависят от температуры. Современные ЖК смеси обладают нематической фазой в диапазоне температур от -30 до 100 °С [6].
На практике широко используются ЖК компоненты с высокой диэлектрической анизотропией. Подобные соединения необходимы для создания ЖК материалов, обеспечивающих низкие пороговые напряжения (1,0-1,3 В), а также малые временами включения ЖК устройств (15-25 мс). Очищенные ЖК материалы обладают высоким удельным сопротивлением 10м - 1012 Ом см, что позволяет отнести их к диэлектрикам. В зависимости от конкретного применения к жидкокристаллическим материалам (ЖКМ) предъявляются специфические требования, примеры которых приведены в таблице 1.
10
Таблица 1.
Применения Параметры ЖК материалы
АМ ЖК-дисплеи с большим углом поля зрения и низким управляющим напряжением Малая оптическая анизотропия в сочетании с большой диэлектрической анизотропией
АМ ЖК-дисплеи с низким управляющим напряжением Большая диэлектрическая анизотропия
АМ и супертвистовые ЖК дисплеи с малыми временами переключения Низкая вязкость
Супертвистовые быстродействующие ЖК дисплеи высокого разрешения Высокое отношение констант упругости кзз/кц; Большая анизотропия коэффициента преломления
Проекционные дисплеи и АМ ЖК дисплеи с широким углом поля зрения Отрицательная диэлектрическая анизотропия
К основным параметрам, влияющим на технические характеристики ЖК-дисплеев, относятся: анизотропия
диэлектрической проницаемости, анизотропия показателя преломления, модули упругости Франка (К«) и коэффициент вращательной вязкости (у\).
В частности, высокое значение анизотропии диэлектрической проницаемости обеспечивает низкие управляющие напряжения дисплеев.
11
Вращательная вязкость жидкого кристалла во многом определяет быстродействие ЖК устройств. Этот параметр сильно зависит от температуры, что приводит к ухудшению быстродействия ЖК-дисплеев в области низких температур. В частности, поэтому в современных дисплейных технологиях используются ЖК смеси с широким температурным интервалом существования мезофазы.
Холестерические жидкие кристаллы. Известно, что холестерические жидкие кристаллы - это соединения с ориентационной структурой, изображенной на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Схематическое изображение расположения молекул в холестерическом жидком кристалле.
Благодаря высокой чувствительности к температуре ХЖК широко применяются в термографии [7, 8]. К холестерическим жидким кристаллам предъявляется целый ряд требований: стабильность во времени, изменение цвета при изменении температуры, отсутствие кристаллической фазы в рабочем диапазоне температур, отсутствие термического гистерезиса. В настоящее время используются ХЖК с
и
II
12
высоким разрешением по температуре (например, для медицинской диагностики), а также соединения, работающие в широком интервале температур -10 до +80°С. ХЖК также используются в устройствах памяти.
Смектические жидкие кристаллы. Из большого числа смектических мезофаз наибольший интерес для практических приложений представляет смектическая С фаза, обладающая сегнетоэлектрическими свойствами. Структура смектической С фазы (рис. 1.3, Ь), отличается от структуры смектика А (рис. 1.3, а), наклоном директора относительно слоевой нормали. Как и в нематической фазе директор в смектике С легко может ориентироваться с помощью магнитного и электрического поля. В последнем случае большую роль играет наличие дипольного момента, характерного для сегнетоэлектриков.
а) Ь)
тпт пт ни ниш ниш
ИШПИШИ III IIIHIIIHIIilHI
нишIпиши II пни mil mi
Рис. 1.3. Схематическое изображение расположения молекул в
смектиках: а - смектик С; b - смектик А.
Сегнетоэлектрики получают растворением хиральных соединений в основном ЖК материале.
Композитные жидкокристаллические материалы. Это материалы, составленные из мезогенных и немезогениых компонент различной природы и с различной дисперсностью: полимеры с
13
дисперсной жидкокристаллической фазой (РОЬС) [9, 10, 11];
дисперсии твердых микроэлементов в жидком кристалле [12]; эмульсии жидких кристаллов [13] и другие [14, 15]. Важная особенность композитных жидкокристаллических материалов -большая удельная поверхность раздела между компонентами, что приводит к более сложной, по сравнению с обычными ЖК, ориентационной структуре. Установлено, что свойства таких материалов, в частности электрооптические, могут существенно отличаться от свойств объемных образцов жидких кристаллов. Это объясняется возрастающей ролью межфазных взаимодействий на ориентационную упорядоченность в жидком кристалле в микронеоднородной системе, что приводит, например, к изменению характеристик мезоморфных превращений. Особенно сильные изменения свойств ЖК могут быть в системах с субмикронной дисперсностью. Дисперсные ЖК системы и, в частности, эмульсии жидких кристаллов в настоящее время рассматриваются как перспективные материалы для применений в электрооптических устройствах повышенного быстродействия и в нанотехнологиях.
Второй особенностью дисперсных ЖК систем является наличие локальных неоднородностей ориентации директора и напряженности электрического поля в жидком кристалле. Однако использование таких материалов в настоящее время сдерживается их слабой изученностью. Крайне мало сведений об электрооптических эффектах в эмульсиях, составленных из жидкого кристалла и изотропной жидкости, которые также могут представлять интерес, например, для оптических приложений.
Как уже отмечалось, РЭЬС [9] представляет собой капли ЖК микронного размера, окруженные полимером. В зависимости от размера капли и характера ее окружения может реализоваться
14
биполярная или аксиальная ориентация директора внутри капели жидкого кристалла (рис. 1.4, а, б). Возможны и другие, более редко встречающиеся, ориентации директора.
Рис. 1.4. Примеры различной ориентации директора в каплях ЖК в
а) - биполярная ориентация, б) - радиальная ориентация.
1.2. Механизмы воздействия электрического поля на структуру нематического жидкого кристалла
Ориентация директора. Ориентация директора в слое нематического жидкого кристалла определяется граничными условиями на поверхности подложек ячеек и возмущающим воздействием, например электрическим нолем. Деформация директора в слое нематического ЖК вызывает соответствующие изменения его оптических и электрических свойств [16]. Например, изменяются: дву лучепреломление, оптическая активность, пропускание,
рассеивающие свойства, емкость, проводимость и поверхностная поляризация. Электрооптические эффекты в ЖК, часто, анализируются в приближении, когда мезофазу ЖК можно рассмотреть как
РЭШ
- Київ+380960830922