Жидкие кристаллы

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №20

П. Псебай

Выполнила

Ученица МОУ СОШ №20

11 «В» класса

Красноружева Елена

2007 г.

Содержание

1. Введение1

2. Немного из истории

3. Жидкие кристаллы. Основные свойства

§ Жидкие кристаллы

§ Эффект Фредерикса

§ Явление двупреломления

§ Высокая оптическая активность

§ Электрооптические эффекты

§ Флексоэлектрический эффект

4. О будущих применениях жидких кристаллов

§ Жидкие кристаллы сегодня и завтра

§ Управляемые оптические транспаранты

§ Пространственно-временные модуляторы света

§ Оптический микрофон

§ Стереотелевизор

§ Очки для космонавтов

5. Заключение

6. Литература

Введение

Всё чаще мы стали встречаться с термином “жидкие кристаллы”. Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства . Что же это за вещества с таким парадоксальным названием “жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

1. Немного из истории

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже. Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145° С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением.

В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли. Тем не менее, уже в первые годы были выяснены многие другие удивительные свойства жидких кристаллов. В конце девятнадцатого -- начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Леймана. (Имя Леймана также можно по праву связывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином “жидкие кристаллы” мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ оказывались существенно различными. Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другую смектическими. Он предложил общий термин для жидких кристаллов -- “мезо морфная фаза”. Этот термин происходит от греческого слова “мезос” (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Когда классификация жидких кристаллов была создана, более остро встал вопрос: почему в природе реализуется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроскопической теории. Но в то время на такую теорию не приходилось и надеяться (кстати, последовательной микроскопической теории ЖК не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноменологической теории жидких кристаллов, или, как ее принято называть, теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили необычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, что рассказанное выше относилось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования ЖК велись малочисленными коллективами. Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегодняшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. Исследования по физике жидких кристаллов и их применениям в настоящее время ведутся широким фронтом во всех наиболее развитых странах мира. Отечественные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждениях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского, С. А. Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских исследователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляющих ничтожные мощности энергии для устройств индикации информации, т. е. связи прибора с человеком, наиболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображения информации на ЖК естественным образом вписываются в энергетику и габариты микроэлектронных схем. Они потребляют ничтожные мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристаллических индикаторов в системы отображения информации, свидетелями которого мы являемся ” настоящее время. Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспомнить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристаллическими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидкокристаллические системы отображения информации. Часто бывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем, связанных с практическими приложениями, но и часто заставляют переосмыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсированного состояния.

2. Жидкие кристаллы. Основные свойства

Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние -- жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. Возникающие при этом кристаллы называются термотропными. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда молекулярных кристаллов в некоторых растворителях. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это -- упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

рис. 1

Холестерическая фаза является разновидностью нематической (рис.2). В холестерических жидких кристаллах концы вектора L закручены по спирали. В этих кристаллах от слоя к слою по спирали изменяется преимущественно ориентация осей молекул, что связанно с асимметрией взаимодействия молекул. Свое название эта фаза получила от эфиров холестерина, в которых она часто встречается. Из-за закрученности молекулярной структуры коофицент преломления испытывает сильную пространственную модуляцию, вызывающую селективное рассеивание световых лучей разного цвета. Поэтому холестерическая фаза является самой красивой из всех жидкокристаллических фаз. Большой интерес сейчас вызывает одна из разновидностей холестериков, так называемая «голубая» фаза. Недавно было установлено, что она представляет собой стабильную решетку дефектов в однородной холестирической структуре. Холестерические жидкие кристаллы также являются термотропными.

рис. 2

Все остальные термотропные фазы - смектики (рис.3). Они различаются по степени позитронного порядка, дополняющего ориентационный порядок молекулярных осей, и в некоторых случаях по наличию порядка в ориентационных связях. Простейшей смектической фазой можно считать смектик А. эту фазу ранее рассматривали как систему, являющуюся твердым телом в направлении вдоль директора и жидкостью в перпендикулярном направлении

z z z

СМЕКТИК А СМЕКТИК В СМЕКТИК С

рис.3

Наиболее впечатляющие свойства жидких кристаллов, сделавшие эти объекты столь популярными, проявляются в различных оптических эффектах, которые очень необычны для жидкости. Такие эффекты присущи твердому кристаллу это возможно потому что в нематике есть оптическая ось. Но в отличии от твердого кристалла этой осью легко управлять с помощью различных воздействий в том числе электромагнитными полями.

Эффект Фредерикса

Данный эффект заключается в том что магнитное поле может ориентировать молекулы нематика. Например если слой нематика зажат между плоскими электродами, а магнитное поле направленно перпендикулярно им, то при определенных условиях молекулы нематика первоначально параллельные плоскости электродов могут расположиться в направлении перпендикулярном электродам. Такая ориентация называется планарной (рис. 4), в противоположном случае ( рис.5) - гомеотропной.

рис.4 рис.5

В 1927 году Фредерикс обнаружил, что описанный процесс переориентации молекул под действием магнитного поля является пороговым, то есть возникает скачком при достижения некоторого критического значения напряженности магнитного поля. Так же было обнаружено что критическое значение напряженности магнитного поля обратно пропорционально толщине слоя нематика зажатого между плоскими электродами.

Явление двупреломления -- это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным могло казаться наличие в мутной фазе не расплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества.

Высокая оптическая активность

Некоторые виды жидких кристаллов обладали необычно высокой оптической активностью. Оптической активностью называют способность некоторых веществ вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Это означает, что линейно поляризованный свет, распространяясь в таких средах, изменяет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален пути, пройденному светом. Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жидкостях, удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный, независящий от длины волны света знак. Это означает, что вращение плоскости поляризации света в них происходит в определенном направлении. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. При этом подразумевается, что наблюдение за вращением плоскости поляризации осуществляется вдоль направления распространения света. Поэтому все оптически активные вещества подразделяются на правовращающие(если вращение происходит по часовой стрелке) и левовращающие(если вращение происходит против часовой стрелки). В случае оптически активных жидких кристаллов такая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристаллах зависело от длины волн света . Для коротких длин волн величина Ра, например, могла быть положительной, а для более длинноволнового света -- отрицательной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плоскости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации совершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности. Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных характеристик, их очень высокая чувствительность к внешним магнитным и электрическим полям и так далее.

Электрооптические эффекты

Электрооптические эффекты в жидких кристаллах подразделяются на токовые(динамическое рассеивание , эффект электрического управления двупреломлением, «твист-эффект») и полевые(фазовый переход, эффект «гость-хозяин»)

Если через слой нематика с отрицательной диэлектрической анизотропией пропустить постоянный или переменный ток (низкой частоты), то прозрачный слой нематика мутнеет: происходит рассеяние света. Если ячейка жидкого кристалла достаточно толстая (6 мкм), то разрушение ранее упорядоченной структуры и перевод слоя жидкости в состоянии турбулентности в котором осуществляется рассеяние света, требует приложения сильного электрического поля. При подмешивание холестерического жидкого кристалла нематик будет испытывать влияние со стороны «закрученной» структуры его молекул. Возникает динамическое рассеяние света, которое сохраняется даже после снятия электрического поля. Это состояние устраняет приложение высокочастотного электрического поля, в котором исчезает динамическое рассеяние.

На ориентацию молекул жидкого кристалла оказывает влияние так же состояние пластин кристаллической ячейки. Если пластины обработаны поверхностно - активным веществом, то, как показано на рис.6 и 7 , можно получить гомеотропную упаковку молекул перпендикулярную пластинам (рис. 7) и гомогенную упаковку молекул, параллельную пластину (рис.6). На основе молекул с отрицательной диэлектрической анизотропией создают жидкий кристалл гомеотропной упаковки. Вне ячейки скрещено размещают поляризатор и анализатор. Для индикации используется свойство двойного лучепреломления, которое возникает приложение к электронам электрического поля, вызывающего ориентацию молекул в направлении, параллельном пластинам. Этот эффект называется так же эффектом деформации вертикально ориентированной фазы. Свет, превратившийся в линейно-поляризованный после прохождения поляризатора, становится эллиптически поляризованным после прохождения ячейки жидкого кристалла, обладающего свойством двойного лучепреломления. Тем самым интенсивностью света, прошедшего через ячейку жидкого кристалла, можно управлять с помощью приложенного электрического поля. Так как интенсивность приходящего света зависит от длинны волны, то, изменяя напряжение, можно менять световой тон.

дисплеи и индикаторы

рис.6 рис.7

Еще один эффект, так называемый «твист-эффект» реализуется при помощи однонаправленного натирания поверхности пластин во взаимно-перпендикулярных направлениях и в ведение нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией. Так как молекулы жидкого кристалла между двумя пластинами оказываются скрученными 90, то происходит поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света, прошедшего через ячейку жидкого кристалла. Если к электродам приложить напряжение, то укладка молекул в жидком кристалле станет гомеотропнотной и ориентированной перпендикулярно пластинам и потому поляризанция света, прошедшего через ячейку жидкого кристалла, будет сохраняться. Когда плоскости поляризации поляризатора и анализатора, установленных по обеим сторонам ячейки жидкого кристалла, параллельны, приложение напряжение приводит к прохождению света, а при отсутствии напряжения свет отсекается. В случае перпендикулярного николя получается обратная характеристика: свет непроходит в случае отсутствия напряжения (рис.8) и проходит, если приложить напряжение < 1 В.(рис.9)

Поляризатор Анализатор

Прозрачный электрод Стеклянная пластина Молекулы ЖК

рис.8

Поляризатор Анализатор

Стеклянная пластина

рис.9

Ячейка жидкого кристалла с примесью холестерического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией рассеивает свет, образуя жидкокристаллическую непрозрачную ячейку молочного цвета. При увеличении электрического поля, прикладываемого к электродам и все молекулы жидкого кристалла, за исключением близлежащих к пластинам, ориентируются в направлении электрического поля, образуя неметический жидкий кристалл с гомеотропной упаковкой молекул, и ячейка жидкого кристалла становится прозрачной, то есть под действием приложенного напряжения происходит фазовый переход.

Оптический эффект «гость - хозяин» возникает при добавлении в жидкий кристалл специального красителя называемого плеохроическим. Такой краситель обладает свойством менять спектр проходящего света и зависимисть от ориентации молекул жидкого кристалла если к жидкому кристаллу подмешать плеохроическим краситель, тогда с помощью электрического поля оказывается возможным менять как ориентацию молекул жидкого кристалла, так ориентацию молекул плеохроического красителя, те есть можно изменить цвет ячейки жидкого кристалла. В такой ячейке жидкий кристалл называют «хозяином», а краситель - «гостем», а само явление называют оптическим эффектом «гость - хозяин». На рис. 10 показано в превращение жидкого кристалла с гомогенной упаковкой молекул в кристалл с гомеотропной упаковкой под действием электрического поля и изменение спектра поглощения и видимой области, что соответствует изменению окраски ячейки с жидком кристалле в проходящем свете.

Молекулы ЖК

Краситель

Падающий свет Стеклянная пластина с

прозрачными электродами

Поляризатор

рис.10

Опишем еще один факт, называемый термооптическим. Если нагреть жидкий кристалл, то он превращается в обычную изотропную жидкость, однако если ее охладить до первоначальной температуры, то упаковка молекул в жидком кристалле будет отличаться от первоначальной. Например, прозрачная смесь холестерического и нематического жидкого кристалла после однократного нагревания и последующего охлаждения до первоначальной температуры оказывается непрозрачной. Если полученную непрозрачную смесь поместить в высокочастотное электрическое поле, она вернется в исходное прозрачное состояние.

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными за перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, а гораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно заряженные фрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и химической природы содержащихся в них примесей. В частности, электропроводность нематика можно целенаправленно изменять, добавляя в него контролируемо количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора больше, чему, представляется совершенно естественным и понятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость будет превосходить поперечную проводимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходимостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, что поле приложено поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуация оказывается не такой простой, как может показаться на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в свое движение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения прохождение тока в жидком кристалле может сопровождаться гидродинамическими потоками, вследствие чего может установиться периодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие обсуждавшейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика возникнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в приложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект

Говоря о форме молекул жидкого кристалла, мы пока представляли ее жесткой палочкой. Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приближение молекула-палочка наиболее адекватно их форме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонением ее формы от простейшей молекулы-палочки, проявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, как иногда говорят о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пера американским физиком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: “Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?” Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричной формы -- типичное явление и связано оно с тем, что расположение “центра тяжести” отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно “центра тяжести” положительных зарядов атомных ядер молекулы. Это относительное смещение отрицательных и положительных зарядов относительно друг друга и приводит к возникновению электрического дипольного момента молекулы. При этом в целом молекула остается нейтральной, так как величина отрицательного заряда электронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению заряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направления смещения от отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы направление дипольного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы -- направлено поперек длинной оси.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в жидком кристалле задается ориентацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону -- для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул -- поперек направления директора в ту и другую сторону, одинаково. В результате дипольный момент любого макроскопического объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул. Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце. Стоит путем внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем, изогнуть его, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направлений дипольных моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекул и поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются сферические факторы, т. е. факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их дипольные моменты “смотрят” преимущественно в одну сторону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраивании диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности -- другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только что рассмотренных форм молекул эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем различные деформации. Грушеподобных молекулы дают эффект при поперечном изгибе, а банановидные -- при продольном изгибе жидкого кристалла Предсказанный теоретически Флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. Причем на эксперименте можно было пользоваться как прямым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический дипольный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к образцу внешнее электрическое поле, вызывать деформацию ориентации директора в жидком кристалле.

Матричный дисплей на жидких кристаллах

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются высокими, как по быстродействию, так и по числу элементов. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображение на экране формируется из 625 строк (и приблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Принцип работы матричного дисплея основан на том, что жидкие кристаллы возбуждают не поэлементно, как в электронно-лучевой трубке, а построчно. Для этого делается система пересекающихся электродов (рис.11). она называется матричной поскольку похожа на алгебраическую матрицу (прямоугольную таблицу математических символов). Матрица состоит из X строк, и Y столбцов. Ее число элементов равно произведению XY, хотя число выводов всего X+Y. Стекла складываются электродами внутрь, такую конструкцию с зазором шириной в несколько микрометров, фиксируют специальными прокладками. Жидкий кристалл помещается в зазор. Стекла предварительно обработаны для получения закрученной ориентации, тем самым эффект Фредерикса наблюдается на любом из элементов матрицы, куда будет подано напряжение. Для построчного возбуждения на одну из горизонтальных шин подается возбуждающий импульс определенной амплитуды, с на все вертикальные шины одновременно - информационные импульсы, несущие сведения об изображении. В результате все элементы строки загораются одновременно, но с разной яркостью, заданной амплитудами информационных импульсов. Затем возбуждающий импульс подается на следующую строку, и процесс повторяется

Зазор для жидкого кристалла

Возбуждающий

импульс

Информационные импульсы

Рис. 11

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением. Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уж нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в поляризованном свете картина вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этот метод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литографических работ, 1 протяженность которых всего 0,01 мкм .

Еще один впечатляющий пример эффективности союза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микроэлектронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они представляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и клавиатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшится и облегчится процесс обучения иностранным языкам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снабжен подобным словарем) А наблюдая, как быстро изделия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствования таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод может быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Некоторое время тому назад необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название “перстень настроения”. За год было продано 5 0 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внимание любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагировать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до фиолетового. Вот это сочетание таинственного свойства угадывать настроение, декоративность перстня, обеспечиваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы столкнулись с загадочным термином “жидкие кристаллы”. Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ничего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для читателя, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сделать уточнение -- на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами. Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о них вообще, чтобы раскрыть секрет перстня настроения, необходимо сначала познакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только о том, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроением человека, но и о многих других удивительных их свойствах и практических применениях.

3. О будущих применениях жидких кристаллов

Жидкие кристаллы сегодня и завтра.

Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как назвать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны. Поэтому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Управляемые оптические транспаранты.

Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке -- теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выбор электрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами . Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально -- в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1х1 см ² . Описанный способ записи изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кристаллах.

Пространственно-временные модуляторы света.

Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем -- это проблема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработки оптической информации. Ниже рассказывается о ряде возможных применений модуляторов света.

Прежде всего, отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового потока. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала -- около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы модуляторов, выполненных на различных полупроводниковых материалах, перекрывает длины волн от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фотополупроводников удается улучшить временные характеристики устройств по сравнению с быстродействием собственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистрировать оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала происходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем подборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если контур перемещается, то можно визуализировать его движение. При этом существенно, что длина волны записывающего изображения излучения и считывающего излучения могут отличаться. Поэтому модуляторы света позволяют, например, визуализировать инфракрасное излучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изображения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освещению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изображению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^--10° раз и более) В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"--10^) числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают Основание использовать их 6 многочисленных задачах обработки оптической информации, таких как распознавание образов, подавление помех, спектральный и корреляционный анализ, интерферометрия, в том числе запись голограмм в реальном масштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленные возможности жидкокристаллических оптических модуляторов реализуются в надежные технические устройства, покажет ближайшее будущее.

Оптический микрофон.

Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воздействий в оптический сигнал жидкокристаллические устройства оказываются опять-таки очень удобными и перспективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, однако подавляющее большинство этих методов связано сначала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двуступенчатые и, следовательно, не такие уж простые и экономичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно непосредственно переводить в оптический сигнал, что устраняет промежуточное звено в цепи воздействие -- световой сигнал, а значит, вносит принципиальное упрощение в управление световым потоком. Другое достоинство ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с узлами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о принципе работы “оптического микрофона” на ЖК -- устройства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического микрофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает существующим образцам и может быть использован в оптических линиях связи, позволяя осуществлять непосредственное преобразование звуковых сигналов в оптические. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются

Применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покрытие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего происходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный режим распространения света в волокне. может быть, также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода .

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волноводный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектрической проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер изменения ориентации директора по толщине, что для определенной поляризации света такой слой оказывается оптическим волноводом.