О Г Л А В Л Е Н II Е
ВВЕДЕНИЕ ..............................................................
§ В.1. Актуальность темы диссертации..............................
§ В.2. Основные цели работы ......................................
§ В.З. Структура диссертации .....................................
§ В.4. Научная новизна работы ....................................
§ В.5. Практическая ценность полученных результатов ..............
§ В.б. Апробация результатов работы ..............................
ГЛАВА 1. ДИСКРЕТНОЕ УТОНЫПЕНИЕ СВОБОДНО-ПОДВЕШЕННЫХ СМЕКТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК (СПСП) В МОДЕЛИ ДЕ ЖЕНА “ПРЕ-СМЕКТИЧЕСКОЙ” ЖИДКОСТИ ...........................................
§1.1. Экспериментальные свидетельства дискретного утонынения
перегретых СПСП.............................................
§ 1.2. Модель Дс Жена “пре-смектической” жидкости.................
§ 1.3. Свободная энергия перегретой СПСП .........................
§ 1.4. Условие устойчивости перегретой СПСП ......................
§ 1.5. Перегретая СПСП в присутствие внешней сжимающей силы.
Критические точки потери механической устойчивости .........
§ 1.6. Длинноволновая толщинная неустойчивость
перегретой СПСП. Капиллярная длина..........................
§ 1.7. Температура максимально возможного перегрева
СПСП. “Скейлинг” ...........................................
§ 1.8. Оценки ....................................................
§ 1.9. Дислокационный механизм спонтанного утонынения
перегретой СПСП.............................................
§ 1.10. Заключение.................................................
5
5
6
7
8
9
10
12
12
14
16
18
18
21
22
22
23
25
2
ГЛАВА 2. ПРОСТАЯ ИНТЕРФЕЙСНАЯ МОДЕЛЬ СМЕКТИЧЕСКОГО СЛОЕВАНИЯ ВБЛИЗИ ГРАНИЦЫ ИЗОТРОПНОЙ ЖИДКОЙ ФАЗЫ СМЕКТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА ................. 26
§ 2.1. Экспериментальные свидетельства смектического слоевания........ 26
§ 2.2. РТнтсрфейсный функционал....................................... 28
§ 2.3. Свободная энергия смачивающей смектической пленки (ССП).
Механизм смектического слоевания ............................... 30
§ 2.4. Равновесная тощина ССП. Условие устойчивости.
Режимы смектического смачивания................................. 33
§ 2.5. Равновесные слоевые переходы.
Полное смектическое смачивание.................................. 36
§ 2.6. Упругие эффекты и слоевые переходы ............................ 40
§ 2.7. Тепловая дестабилизация переохлажденной ССП.
Параметр Кана-Хилл ар да........................................ 40
§ 2.8. Реальные слоевые переходы. Температурный гистерезис.
Неполное смектическое смачивание ............................... 45
§ 2.9. Оценки феноменологических констант............................. 47
§ 2.10. Коэффициент зеркального отражения
рентгеновских лучей от свободной поверхности ЖК ................ 50
§ 2.11. Термодинамика смектического слоевания. Эффект кривизны
смачиваемой поверхности......................................... 53
§ 2.12. Учет тепловых смещений 1А-интерфейса..
Ренормировка амплитуды потенциала пиннинга...................... 57
§ 2.13. Заключение..................................................... 61
ГЛАВА 3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ СЕГПЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ................................................................ 62
§ 3.1. Поляризация тонких смектических С*-плснок.
Экспериментальные свидетельства и теоретические модели их лереполяризации в электрическом поле ........................ 62
§ 3.2. Азимутальная переориентация вектора поляризации и движение
уединенных ориентационных перегибов в двух геометриях С*-пленок в переменном электрическом поле ................................ 66
3
§ 3.3. Динамическая неоднородность диэлектрической
проницаемости и рассеяние поляризованного света .......... 71
§ 3.4. Анализ частотных зависимостей интенсивности рассеяния света.
Сопоставление с экспериментальными данными................ 77
§ 3.5. Заключение............................................... 82
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ ............................ 83
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА ............................................ 84
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ .............................. 89
4
ВВЕДЕНИЕ
§ В.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ
Физические свойства жидких кристаллов (ЖК) обусловлены ярко выраженной анизотропией слагающих их молекул, которые в общем случае сильно вытянуты в одном направлении (вдоль длинной молекулярной оси). Специфичность взаимодействия между ЖК-молекулами (межмолекулярное взаимодействие) приводит к тому, что в определенных температурных интервалах жидкие кристаллы могут существовать в виде различных фаз, обладающих ориентационным (нематики), одномерным позиционным (смектики) порядками [4], и являющихся промежуточными состояниями между изотропной жидкой фазой (I) и твердым кристаллом.
В нематической фазе (К) длинные оси молекул в среднем ориентированы вдоль одного выделенного направления, задаваемого единичным вектором п, называемого директором, т.е нематик представляет собой анизотропную жидкость.
Смектические фазы характеризуются одномерной модуляцией плотности с периодом г/о (порядка длины молекулы), т.е. представляют собой простейший кристалл с одной кристаллической осью. При этом в смектической А-фазе направление кристаллической оси и директора п совпадают, а в смектической С-фазе указанные направления расходятся на угол 0 (т.е. в смектическом слое имеет место коллективный наклон молекул относительно кристаллической оси) [4]. Кроме того, в смектической С-фазе упорядочены также ориентации коротких (поперечных) осей молекул (вдоль директора п;).
В свою очередь, С*-фаэа, составленная из киральных молекул, обладающих поперечным дипольным моментом, обладает сегнетоэлектричсскпми свойствами, причем вектор спонтанной поляризации в С*-фазе направлен вдоль вектора п' [62]. При этом, благодаря существованию в объемной С*-фазе ориентационной спирали п (закрученной вдоль кристаллической оси, с шагом много больше чем г/о), вектор спонтанной поляризации также оказывается закрученным вдоль кристаллической оси, образуя так называемый геликоид поляризации с шагом много больше чем г/о [62].
Фазовые переходы между объемными ЖК-фазами, происходящие при изменении температуры, достаточно хорошо изучены и описываются в рамках известных феноменологических моделей [4], [02]. Между тем, экспериментальные исследования последних лет показали, что ЖК демонстрируют также большое разнообразие поверхностных свойств и явлений. Благодаря ярко выраженной анизотропии молекул, слагающих ЖК, наличие ограничивающей поверхности может оказывать существенное влияние на характер жидкокристаллического (ориентационного и позиционного) упорядочения в прилегающем к поверхности слое ЖК [1-3,22,25-36,77-84]. В настоящее время все возрастающий интерес вызывают свойства смектических ЖК (СЖК) и их пленок. Последнее связано с тем, что при пространственном ограничении СЖК
5
слоистость СЖК оказывается причиной уникальных физических свойств свободно-подвешенных смектических пленок (СПСП) [1-3,22,77-84], смачивающих смектических пленок (ССП) [25-36], тонких сегнетоэлектрических смектических С*-пленок с однородной спонтанной поляризацией [77-84].
Вместе с тем, понимание физических свойств СЖК-пленок явно недостаточно. В частности, удивительная устойчивость и дискретное утонынение СПСП, наблюдаемые при их перегреве выше температуры объемного NA-пepexoдa (нематик - смектик А) [1-3], послойный рост ССП, наблюдаемый вблизи границы изотропной жидкой фазы СЖК по мере приближения к температуре объемного 1А-перехода (изотропная жидкость - смектик А) [25-36], и потеря устойчивости однородной спонтанной поляризации (азимутальная переполяризация) смектических С*- пленок конкретных геометрий в переменном электрическом поле [77-84] продолжают оставаться нерешенными проблемами физики жидких кристаллов.
Заметим, что попытки объяснения предпереходных поверхностных явлений в СЖК-пленках до сих пор проводились путем численного счета в рамках микроскопических моделей ЖК упорядочений, а именно в рамках решеточных моделей [37] и в рамках теории среднего поля Мак-Миллана [23,24,38-40]. При этом не было достигнуто понимание физических причин указанных выше явлений и не было проведено даже качественное сравнение с экспериментом. Между тем, особенность СЖК-пленок заключается в том, что для них возможно качественное описание указанных явлений, исходя из анализа взаимодействия поверхностей СЖК-пленок (расклинивающего взаимодействия, обуславливающего расклинивающее давление [22]), которое может быть получено на основе знания структуры и общих свойств ЖК-фаз (см. например, модель “пре-смектической жидкости” [6], модель азимутальной переиоляризации тонких смектических С*-пленок в постоянном электрическом поле [63,64,76]). По этой причине объяснение предпереходных поверхностных явлений в СЖК-пленках является важным и актуальным для дальнейшего развития физики поверхностных явлений.
Кроме того, поскольку СЖК представляют собой простейшие (Ш-) кристаллы, то понимание свойств СЖК-пленок может помочь пониманию явлений, происходящих в кристаллических пленках, что актуально для физики твердого тела. Наконец, физические явления, связанные с СЖК-пленками, важны и интересны для практических приложений (см. В5).
§ В.2. ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ РАБОТЫ
1. Объяснить удивительную устойчивость и необратимый характер последовательного дискретного утоныиения СПСП, наблюдаемые при их перегреве выше температуры объемного ИА-иерехода (нематик - смектик А). При этом предполагается объяснить аномальный (отрицательный) знак коэффициента линейного теплового расширения перегретых СПСП и монотропность процесса дискретного изменения толщины перегретых СПСП (только при нагревании).
6
2. Объяснить дискретный квантованный (в единицах одного смектического слоя) рост толщины толщины смачивающей смектической пленки (ССП) и сопровождающую его неполноту смектического смачивания, наблюдаемые вблизи границы изотропной жидкой фазы СЖК по мере приближения к температуре объемного 1А-перехода (изотропная жидкость - смектик А). При этом предполагается качественно обсудить имеющийся экспериментальный материал по указанному явлению, а именно, данные по рентгеновскому отражению от ССП, калориметрический эксперимент и данные оптической эллипсометрии.
3. Исследовать динамику азимутальной персполяризащш тонких смектических С*-пленок в переменном электрическом поле и объяснить наблюдаемые экспериментально особенности рассеяния поляризованного света на таких объектах, а именно, квазирсзонансный характер частотных зависимостей интенсивности рассеяния, зависимость квазирезонансных характеристик от параметров С*-пленок, амплитуды электрического поля и отклонения от температуры АС*-перехо-да (смектик А - смектик С*).
§ В.З. СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения в виде основных положений, выносимых на защиту, списка литературы и списка работ автора по теме диссертации.
В ГЛАВЕ 1. показано, что последовательное дискретное утоньшение свободно-подвешенных смектических пленок (СПСП), наблюдаемое при их нагревании выше температуры объемного фазового перехода смектик А - нематик находит естественное объяснение в рамках феноменологической модели Де Жена “пре-смектической жидкости” [б], в предположении, что к свободным поверхностям СПСП приложена достаточно большая внешняя сжимающая сила. В реальной ситуации такой силой является сила, связанная с кривизной окружающего мениска, выступающего в роли объемного резервуара. В рамках указанной модели устойчивость перегретой СПСП обеспечивается балансом внешней сжимающей и упругой сил. Показано, что при нагревании упругий модуль сжатия пре-смектической решетки уменьшается и по достижение некоторой критической величины перегрева СПСП испытывает длинноволновую толщинную неустойчивость, связанную с невозможностью обеспечить дальнейший баланс внешней сжимающей и упругой сил при заданном числе смектических слоев. При достаточной устойчивости перегретой СПСП к разрыву возможно восстановление нарушенного баланса сил и, соответственно, устойчивости СПСП, за счет спонтанного утонъшения последней до толщины, соответствующей меньшему числу смектических слоев. При этом в общем случае нагревание перегретой СПСП сопровождается серией таких переходов утоньшения. Показано также, что в окрестности критических точек нарушения баланса сил опасным становится дислокационный механизм спонтанного утоньшения, что, возможно, обеспечивает послойный характер последовательного дискретного утоньшения реальных СПСП.
7
- Київ+380960830922