Размещено на http://www.allbest.ru/

НИУ “БелГУ”

Исследование электрооптических эффектов в жидких кристаллах

Ченцова Виктория Викторовна

Электрооптические эффекты в капсулированных полимером жидких кристаллах.

Хорошо известно, что вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Однако некоторые из них, особенно вещества, состоящие из длинных вытянутых молекул, могут образовывать еще одно, четвертое, агрегатное состояние - жидкокристаллическое. К настоящему времени известны десятки тысяч веществ, которые образуют жидкие кристаллы. По своим физическим свойствам жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между жидкостями и кристаллическим твердыми телами. Как любые жидкости, они принимают форму того сосуда, в который их помещают. Они текут как обычные вязкие жидкости. Наряду с этим жидкие кристаллы обладают свойствами, которые характерны для кристаллов: молекулы жидких кристаллов частично упорядочены (ориентационный порядок). Это, конечно, не полный порядок, как в настоящих кристаллах, но он существенно влияет на физические свойства жидких кристаллов. Устройства на основе жидких кристаллов обладают уникальными свойствами: они весьма чувствительны к внешним полям, особенно электрическим. Не случайно жидкие кристаллы представляют собой один из классов так называемых «умных» материалов (smart materials).

Типы жидких кристаллов. [1]

Существуют три основных типа жидких (термотропных) кристаллов:

1.нематические (НЖК) жидкие кристаллы;[2]

2.смектические (СЖК) жидкие кристаллы;[3]

3.холестерические (ХЖК) жидкие кристаллы.[4]

Для краткости их называют нематиками, смектиками и холестериками, соответственно. У нематика длинные оси молекул ориентированы приблизительно параллельно друг другу, но центры тяжести молекул расположены произвольно, как в жидкости. Направление преимущественной ориентации молекул характеризуется единичным вектором n, который называют директором.

Холестерики. [4]

Холестерик локально, на расстоянии порядка нескольких молекулярных длин, имеет такую же структуру, как и нематик. Молекулы преимущественно ориентированы вдоль директора, пространственная периодичность в их центрах тяжести отсутствует. Однако директор не имеет постоянного направления в пространстве. При движении вдоль так называемой холестерической оси направление директора периодически меняется. В результате чего возникает спиральная структура. Во внешнем поле (магнитное и электрическое поля, температура, давление) изменяются и направление оси спирали (текстурные переходы), и ее шаг (раскрутка спирали).

Смектики. [3]

В смектиках степень упорядоченности выше, чем в нематиках. В них помимо ориентационного порядка частично упорядочены и центры тяжести молекул. Эта упорядоченность состоит в том, что молекулы смектика расположены в слоях, причем расстояние между соседними слоями фиксировано. Внутри каждого слоя центры тяжести молекул расположены хаотически, образуя подобие «двумерной жидкости». Различают два основных типа смектиков в зависимости от положения директора n относительно слоев.

Электрооптические эффекты в жидких кристаллах. [5]

В жидких кристаллах наблюдаются различные как полевые эффекты, так и эффекты, обусловленные проводимостью ЖК (электрогидродинамические неустойчивости).

Полевые эффекты.[6]

Основными электрооптическими полевыми эффектами являются:

1) S - и B - эффекты;

2) твист-эффект; [7]

3) индуцированный электрическим полем переход ХЖК - НЖК;

4) эффект “гость - хозяин”, а также

5) эффекты в сегнетоэлектрических ЖК.

1) Для наблюдения S-эффекта поверхности электродов устройства (ячейки) обрабатывают так, чтобы молекулы НЖК с положительной диэлектрической анизотропией ?е>0, равной разности диэлектрических проницаемостей ЖК, измеренных в направлениях, параллельном и перпендикулярном директору, соответственно, были ориентированы параллельно проводящим слоям. При приложении электрического поля молекулы ориентируются по полю, и слой ЖК испытывает поперечную S-деформацию. В результате переориентации молекул двулуче преломление слоя НЖК изменяется, а проходящий через ячейку световой пучок испытывает фазовую или поляризационную модуляцию. Аналогом S-деформации в НЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией ?е является так называемый B -эффект.

В отсутствие электрического поля в таком ЖК - слое молекулы ориентированы гомеотропно (директор перпендикулярен проводящим слоям), а при приложении поля они стремятся расположиться планарно, что также приводит к изменению двулучепреломления распространяющегося света.

2) Твист-эффект[7]

Этот эффект наблюдается в ячейках НЖК с положительной диэлектрической анизотропией, когда направления ориентации на разных подложках не совпадают, составляя обычно угол 90° (в супер твистовых устройствах этот угол составляет ~200°). При распространении поляризованного света через слой НЖК плоскость поляризации поворачивается на 90°. Поэтому ЖКячейка, помещенная между скрещенными поляризаторами, будет прозрачной, а между параллельными - непрозрачной. При приложении электрического поля «закручивание» структуры исчезает, поэтому она, наоборот, в скрещенных поляризаторах будет непрозрачной, а в параллельных - прозрачной, в результате чего удается получить высокий контраст.

3,4) К ориентационным эффектам в НЖК следует отнести также индуцированный электрическим полем переход ХЖК - НЖК и эффект «гость - хозяин». Значительный интерес исследователей привлекают также и электрооптические эффекты в так называемых сегнетоэлектрических ЖК - хиральных смектиках типа C. Рассмотренные полевые эффекты в НЖК являются ориентационными, в основе которых лежит эффект Фредерикса. (Влияние магнитного поля на ориентацию нематиков экспериментально впервые наблюдали и изучили еще в 30-е годы прошлого столетия (в 1924 - 1930 гг.) советский физик Всеволод Константинович Фредерикс и его сотрудники. Поэтому сейчас этот эффект и принято называть переходом Фредерикса).

Эффект Фредерикса в НЖК.[8]

Рассмотрим нематик с положительной диэлектрической анизотропией ?е >0, ориентированный между двумя твердыми пластинами, в однородном внешнеммагнитном поле (подобное рассмотрение может быть проведено также и для электрического поля). Будем считать, что между молекулами нематика и пластинами существует сильное сцепление, так что ориентацию молекул на поверхности можно считать фиксированной. Направим внешнее магнитное поле перпендикулярно исходной ориентации нематика. Тогда молекулы нематика будут стремиться ориентироваться по полю. Однако при изменении направления директора молекул возникают возвращающие крутящие моменты. Механические напряжения, связанные с такими моментами, удовлетворяют закону, эквивалентному закону Гука, согласно которому напряжения пропорциональны деформации искривления при условии, что эти деформации достаточно малы. Коэффициенты пропорциональности, входящие в эти законы, называются коэффициентами ориентационной упругости (модулями Франка). В нематиках можно выделить три типа деформации изгиба по отношению к направлению директора: поперечный изгиб, кручение и продольный изгиб - и соответственно для каждого вещества существуют три модуля Франка -K1, K2, K3. Поскольку обычно они не очень сильно различаются между собой, в дальнейшем для оценок используем одноконстантное приближение (эффективного модуля). Таким образом, в жидком кристалле возникает конкуренция между внешним магнитным полем, которое стремится ориентировать молекулы жидкого кристалла по полю, и силами ориентационной упругости, которые стремятся сохранить ориентацию молекул образца в ячейке. В случае слабых полей силы упругости превосходят действие внешнего поля и нематик остается однородно ориентированным. При некотором значении поля H =H_c обе силы сравниваются, и при чуть больших полях в жидком кристалле начинает происходить переориентация. Этот эффект и носит название эффекта Фредерикса. Величина критического поля H_c зависит от толщины ячейки и материальных констант жидкокристаллического вещества. При количественном описании вводится так называемая магнитная длина когерентности: В этой формуле ч₀- анизотропия магнитной проницаемости (восприимчивости)

ЖК, представляющая собой разность между магнитными проницаемостями, измеренными параллельно и перпендикулярно вектору директора молекул, соответственно, K -коэффициент упругости, H -магнитное поле. Как можно видеть, величина о(H) тем больше, чем меньше значение поля. В рассматриваемой задаче она имеет смысл расстояния до стенки, ближе которого магнитное поле практически не влияет на ориентацию директора молекул ЖК. На расстояниях от поверхности больше магнитной длины когерентности можно считать, что директор практически ориентирован вдоль магнитного поля (мы рассматриваем случай положительной магнитной анизотропии). Таким образом, ориентирующее действие магнитного поля начинается с полей, для которых магнитная длина когерентности порядка толщины образца d. Это условие определяет критическое значение поля Hc:

Точное значение критического поля равно

Проведенное рассмотрение относится к случаю жесткого закрепления нематика на стенках ячейки (случай сильного сцепления). Однако в любом реальном жидком кристалле энергия взаимодействия молекул со стенкой конечна. В этом случае критическое поле начинает зависеть еще от одной длины жs=рK/W, где W - определяет энергию взаимодействия нематика с подложкой на единицу площади. Величина жs имеет также смысл расстояния, на котором проявляется влияние ограничивающей поверхности на ориентацию жидкого кристалла. Критическое поле Hc в этом случае определяется из соотношения

При малых энергиях сцепления W>0, vW и стремится к нулю.

Физически это означает, что при очень малой энергии сцепления сколь угодно слабое поле может переориентировать жидкий кристалл. При W > ?, когда жs >0, величина. Следует отметить, что все сказанное в полной мере относится и к внешнему электрическому полю, для чего необходимо сделать замену Жидкие кристаллы и устройства на их основе широко используются в самых

различных областях науки и техники, в особенности для создания разнообразных электрооптических устройств. Это определяется, как мы уже отмечали, их высокой чувствительностью к внешним полям, особенно электрическим. ЖК обладают пороговыми свойствами и высокой крутизной модуляционной характеристики для большинства электрооптических эффектов, высоким оптическим качеством тонких слоев, технологичностью изготовления устройств на их основе. К сожалению, устройства на основе сплошных слоев ЖК обладают и рядом недостатков, к которым следует отнести необходимость использования специальных методов ориентации ЖК и поляризаторов, герметизации ячеек, а также невозможность создания гибких устройств. Значительный интерес исследователей в последние годы изучение и использование в электрооптических устройствах не сплошных слоев ЖК, а дисперсных эмульсий ЖК (взвеси капель ЖК) в полимерных матрицах (капсулированных полимером ЖК).Такой метод позволяет исключить из технологического цикла специальные методы ориентации ЖК и их герметизацию, уменьшить времена отклика ЖК ячеек на воздействие электрического поля, упрощать оптические схемы считывания (без применения поляризаторов),создавать гибкие ЖК устройства большой площади. Научный интерес к этим объектам обусловлен не только перспективами использования, но и нетривиальными физическими свойствами пространственно ограниченных ЖК, связанными со сложной упорядоченной структурой жидкокристаллической и полимерной фаз и их взаимодействием на границах раздела. Двухфазные дисперсные системы ЖКполимер могут рассматриваться в качестве интересного объекта для широкого круга задач, связанных и с фундаментальными аспектами оптики рассеивающих сред, образованных анизотропными частицами. Методы получения капсулированных полимером ЖК. Пленки капсулированных полимером нематических жидких кристаллов состоят из капель (микронных размеров) нематика с положительной диэлектрической анизотропией, диспергированных в полимерной матрице. Принцип их работы основан на электрическом (полевом) управлении рассеянием света этими нематическими каплями (по сути на ориентационном переходе Фредерикса в каплях ЖК). Электрическое поле к пленкам прикладывается таким же образом, как и в большинстве известных ЖК-устройств. Исследуемый материал, ЖК в полимере, как правило, помещается между двумя стеклянными пластинами, покрытыми прозрачным проводящим слоем (таким, например, как слой окисла индия-олова). Для изготовления описываемых пленок в основном использовались три различных процесса. Первый процесс включает в себя заполнение микропор в полимерной подложке жидким кристаллом. Другие способы получения капсулированных ЖК можно разделить на две группы. К первой группе относятся способы получения, которые основаны на применении растворителей. Простейший из них состоит из диспергирования НЖК в водно- полимерной среде, которая содержит либо растворимый в воде полимер (наиболее распространенным является поливиниловый спирт), либо представляет собой коллоидную суспензию полимера, не растворимого в воде, например, эмульсию латекса. Размер капель НЖК в пленках из поливинилового спирта имеет разброс от 0,5 до 20 мкм, средний диаметр капель составляет 3-4 мкм, форма капель - практически сферическая. Вторая группа способов получения пленки КПЖК основана на формировании капель НЖК с помощью процессов разделения фаз при полимеризации матрицы. Полимеризация матрицы может быть инициирована химически, теплом, ультрафиолетовым светом. Кроме того, процесс разделения фаз можно произвести при растворении полимера вместе с ЖК в одном растворителе и последующем выпаривании растворителя. Использовался также процесс разделения фаз, в котором полимер растворялся в изотропной фазе ЖК, а затем смесь охлаждалась ниже точки просветления (температуры перехода нематическая фаза - изотропная фаза). В качестве полимерной матрицы можно также использовать полимерный жидкий кристалл. Для получения пленок капсулированных полимером ЖК, кроме нематиков, использовались холестерические, а также сегнетоэлектрические ЖК. С целью обеспечения эффективного управления светорассеянием пленок КПЖК внешним электрическим полем необходимо применять полимеры, добавки и растворители с проводимостью, меньшей проводимости ЖК. При этом показатель преломления n_p полимера должен быть близким (лучше равным) обыкновенному показателю преломления (показателю преломления для обыкновенного луча) НЖК. Структура капель НЖК в капсулированных полимером ЖК. Отличительной особенностью структуры замкнутого объема НЖК, находящегося в равновесном состоянии, является наличие дефектов в распределении поля директора n. Эти дефекты связаны с граничными условиями на поверхности капли, которые определяются физикохимическими особенностями пары ЖК - полимерная матрица. Рассмотрим кратко основные и наиболее простые геометрии. Нормальные граничные условия. В этом случае равновесное состояние капли характеризуется наличием топологического точечного дефекта. Дефект локализован в центре капли и в простейшем случае связан со строго радиальным распределением директора (см. рис. 1). Дефекты такого типа называются ежами.

Рис.1 Распределение директора в каплях НЖК с нормальными граничными условиями (радиальная структура капли)

Тангенциальные граничные условия.

Равновесная конфигурация директора в капли имеет вид биполярной структуры (рис.2) с двумя точечными дефектами на поверхности, называемыми буджумами.

Рис. 2 Распределение директора в каплях НЖК при тангенциальных граничных условиях

Рис. 3 Расприделение директора в каплях НЖК. Аксиальная структура капель

Аксиальная конфигурация капель ЖК имеет место в случае, когда молекулы ориентированы перпендикулярно к стенкам капли (как и в случае радиальной структуры), однако лишь когда имеется слабое поверхностное сцепление. Структурные изменения капель НЖК во внешнем электрическом поле. Для примера рассмотрим капли НЖК с биполярной структурой. В отсутствие внешнего поля оси симметрии отдельных капель в образце ориентированы случайным образом (рис. 4)

Рис. 4 Капли НЖК с биполярной структурой в образце до приложения электрического поля

С приложением внешнего электрического поля возникает вращающий момент, вынуждающий оси капель ориентироваться по направлению поля (для НЖК с положительной диэлектрической анизотропией). При этом ориентированной вдоль поля оказывается и большая часть палочкообразных молекул НЖК (см. рис.5).

Рис. 5 Капли НЖК с биполярной структурой в образце при приложении электрического поля (по вертикали)

Опыт показывает, что переориентация оси капли происходит при определенной критической напряженности электрического поля, которая обратно пропорциональна диаметру капли. К этой проблеме мы вернемся при рассмотрении вольтконтрастных характеристик КПНЖК.

Оптические свойства пленок КПЖК. [9]

Жидкий кристалл является оптически одноосной анизотропной средой. Оптическая ось этой среды совпадает с направлением директора n. Поэтому ее коэффициенты преломления, характеризующие распространение обыкновенной и необыкновенной световых волн, равны соответственно и для направлений, параллельного и перпендикулярного директору n.

Величина двулучепреломления ?n определяется разностью которая для большинства нематиков является положительной (? 0,2 - 0,3).

Анизотропия оптических свойств НЖК в общем случае вызывает анизотропию оптических свойств сферических капель в целом. Рассмотрим для примера пленку КПЖК, в которой все капли имеют биполярную структуру. В исходном состоянии (электрическое поле отсутствует) оси симметрии капель ориентированы хаотично (см. рис. 6, вверху). Луч света, проходя через прозрачную оптически изотропную полимерную матрицу с коэффициентом преломления попадает в объем одной из капель НЖК, эффективный показатель преломления которой меняется в пределах от до

. Поскольку показатель преломления n_p полимерной матрицы не может быть равен показателю преломления капли ЖК, световые волны будут испытывать рассеяние на дисперсии капель ЖК.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6 Рассеяние света биполярными каплями НЖК, находящимися в полимерной матрице: вверху - внешнее электрическое поле отключено; внизу - электрическое поле включено

кристалл жидкий электрооптический термотропный

Поскольку толщина пленок КПЖК обычно составляет 20 -30 мкм, а диаметр отдельной капли на порядок меньше, рассеяние света будет многократным. В результате в исходном состоянии пленка КПЖК имеет вид непрозрачной (или малопрозрачной, как на рисунке) молочной пленки. При включении электрического поля достаточной напряженности оптические оси капель ЖК принимают одну ориентацию - вдоль поля (рис.6, внизу). Показатель преломления капель для световой волны, распространяющейся вдоль нормали к пленке, становится очень близким к n₀ (отклонения обусловлены неполной ориентацией молекул ЖК у поверхности капель при выбранном материале полимера). Если пару полимерная матрица -НЖК подобрать так, что n_p = n₀, то рассеяние света исчезает, и пленка КПЖК становится прозрачной (рис.6). При снятии поля капли ЖК возвращаются в исходные состояния (с миллисекундными временами) и пленка вновь становится мутной. Отметим, что рассеяние света малыми каплями является классической физической задачей. Если капли ЖК небольшие (диаметром не более 0,3 мкм) и диспергированы в среде со сходными оптическими свойствами, то их можно рассматривать как «слабо рассеивающие» или «мягкие». В таком случае при решении задачи единичного рассеяния используют приближение Рэлея - Ганса, которое имеет два лимитирующих условия:

где n_lc и n_p являются показателями преломления ЖК и полимера, соответственно, k - волновой вектор излучения. Первое условие ограничивает размер капли, который должен быть намного меньше длины волны падающего излучения. Второе условие означает, что максимальный фазовый сдвиг излучения при прохождении капли должен быть весьма малым. Для единичного рассеяния света на «оптически мягких», но больших по сравнению с длиной волны света капсулах применяют приближение аномальной дифракции. В режиме аномальной дифракции ограничивающими условиями являются следующие:

Вольт-контрастные характеристики.[10]

Вольт-контрастная характеристика является одной из основных характеристик электрооптических устройств на основе ЖК. Эксперименты показывают, что зависимость пропускания света пленкой КПЖК от приложенного напряжения не имеет явно выраженного порога, который характерен для полевых электрооптических эффектов в сплошных слоях ЖК. Этот факт можно объяснить тем, что при дисперсии ЖК в полимерной матрице образуются капли не строго одинаковых размеров. С учетом функции распределения капель по размерам «размытый» порог перехода пленок КПЖК из состояния, в котором они сильно рассеивают свет, в состояние, характеризующееся тем, что при повышении напряжения структурные изменения претерпевают лишь капли больших размеров, концентрация которых мала. Затем структурные превращения происходят в каплях все меньшего размера, пока на функции распределения концентрации капель в зависимости от их размеров не наступит спад. На зависимость пропускания от напряженности электрического поля существенно влияет также отношение коэффициентов преломления полимера n_p и обыкновенного коэффициента преломления n₀ ЖК - n_p/n₀. Кратко остановимся на рассмотрении критического (порогового) поля структурных изменений капли НЖК на примере капсул с биполярной структурой. Как уже ранее отмечалось, нематик в капле под действием электрического поля испытывает ориентационный переход Фредерикса. Однако этот переход сопровождается рядом особенностей, связанных как со специфической структурой нематика в капле, так и с сильным влиянием граничных условий. Тем не менее основная черта перехода Фредерикса, а именно его пороговый характер, сохраняется. Факторы, определяющие величину критического поля, обусловлены изменением объемной и поверхностной энергий при переходе и связаны, в свою очередь, с упругим, диэлектрическим и другими вкладами. Рассмотрим ориентационный переход Фредерикса в капсулированных полимером нематических жидких кристаллах с биполярной конфигурацией директора в каплях ЖК для случая нежесткой фиксации полюсов. При этом эффект переориентации заключается в перемещении полюсов по поверхности капли без разрушения одноосной симметрии ее объема ( рис. 6). В рассматриваемом случае величина порогового поля, приложенного к образцу, зависит от анизометрии капель:

где a- длина максимальной оси эллипсоидальной капли; l = a/c - отношение длины максимальной к минимальной оси; -абсолютная диэлектрическая проницаемость; ?е - анизотропия диэлектрической проницаемости НЖК;

K=(K11+K22+K33)/3, Kii (i=1,2,3) -модули упругости соответственно для S-, T- и B - деформаций; и - диэлектрические проницаемости ЖК и полимера. Второй множитель в этой формуле является поправкой на действующее поле в капле ЖК. В теоретических моделях, согласно которым была выведена указанная выше формула для критического поля перехода Фредерикса в биполярной структуре капли, предполагается лишь тангенциальная вырожденная тангенциальная поверхностная ориентация. Эта ориентация допускает свободное азимутальное вращение локального директора НЖК n относительно нормали к поверхности. В этом случае единственным механизмом, задающим в отсутствие электрического поля (при E=0) невырожденную пространственную ориентацию оси симметрии биполярной структуры (директора капли N), является несферичность полимерной капсулы и связанная с ней ориентационная анизотропия упругой свободной энергии НЖК. Между тем экспериментальные исследования показывают, что одним из главных факторов, определяющих структурные изменения в биполярных каплях нематика под действием внешнего электрического поля E, является наличие анизотропных поверхностных взаимодействий, обусловленных упорядоченной организацией полимера на границе раздела капля/матрица (это касается также и динамики ориентационного перехода). Кроме того, приведенная формула не может объяснить температурную зависимость порогового поля перехода Фредерикса в КПНЖК.

В работах рассмотрена приближенная феноменологическая модель перехода Фредерикса в каплях нематика с биполярной структурой, которая учитывает невырожденные тангенциальные граничные условия и связанную с ней азимутальную составляющую поверхностной энергии сцепления. Форма капли аппроксимируется вытянутым элипсоидом вращения с полуосями (a;a;b ? a) и малым эксцентриситетом д << 1, где д =[1 - (a/b)І]№/І.

Предполагается, что переориентация биполярной структуры происходит как поворот директора капли N в направлении электрического поля E при сохранении фиксированной ориентации локального директора n относительно N. Таким образом, локальные деформации и гидродинамические течения n во внешнем поле не учитываются, а на поверхности капли локальный директор НЖК n всегда ориентирован параллельно границе раздела ЖК/полимер. В работах показано, критическая величина поля E_c ориентационного перехода определяется следующим выражением:

где R=(aІb)№/і - радиус сферы эквивалентного объема, K-модуль упругости НЖК (в одноконстантном приближении), Wa - коэффициент азимутального поверхностного сцепления, -эффективная диэлектрическая анизотропия биполярной капли. Анализ приведенного выражения для критического поля позволяет сделать следующие выводы. Если порог эффекта Фредерикса определяется поверхностными взаимодействиями (RW_a/K =л >>дІ), напряженность критического поля E_c пропорциональна в то время как в случае преобладания упругого вклада, обусловленного несферичностью капли Экспериментальные значения критического поля E_c для биполярных капель с R ? 1µm обычно лежат в интервале E_c ? 1-2 V/µm. Это согласуется с теоретическими оценками E_c при соответствующем выборе значений азимутальной энергии поверхностного сцепления W_a.

Важной задачей при разработке электрооптических устройств на основе пленок КПЖК является поиск методов уменьшения порогового поля, а также времени электрооптического отклика. Одним из методов решения этой задачи является создание таких технологических условий, при которых можно целенаправленно изменять размеры и конфигурацию капель.

Время электрооптического отклика.[11]

Если сравнить значения времен электрооптического отклика (релаксации) для пленок КПЖК и сплошных слоев ЖК (с близкими по механизму эффектами), то применение дисперсий ЖК позволяет уменьшить данную величину на порядок. Несферическая форма капсул играет также важную роль и в динамических процессах. Она существенно определяет время переориентации капель под действием электрического поля и время релаксации к исходному состоянию. В известных работах время релаксации (выключения) для биполярной структуры капель (при пренебрежении поверхностной энергией сцепления) определяется выражением вида

где г₁ - вращательная вязкость НЖК, l=a/b, как и ранее.

Однако эта формула, при выводе которой не учитывалась поверхностная энергия сцепления, также не может объяснить температурную зависимость времени электрооптического отклика в образцах КПНЖК. В работах автором при выводе нового выражения для времени электрооптического отклика в КПНЖК с биполярной структурой капель учтено влияние конечной азимутальной поверхностной энергии сцепления и поверхностной вязкости нематика. Им для постоянной времени процесса свободной ориентационной релаксации директора капли получено следующее выражение:

Здесь, как и ранее, г₁ -вращательная вязкость НЖК, г_s - поверхностная вязкость, л =RW_a/K, W_a -коэффициент азимутального поверхностного сцепления, д - эксцентриситет вытянутого сфероида (формы капли). Из этого выражения следует, что при слабом поверхностном сцеплении зависимость ф(R) определяется квадратичным компонентом, связанным с ориентацией объема капли, и линейным компонентом, обусловленным вязким трением на поверхности:

Если поверхностное сцепление сильное (л>>дІ), то существует ненулевое экстраполированное значение ф|R>0 Расчет времени электрооптического отклика с учетом поверхностной вязкости и конечной азимутальной поверхностной энергии, на наш взгляд, обеспечивает лучшее согласие с экспериментом.

Разрешающая способность пленок КПЖК. [12]

Важной задачей исследований является проблема разрешающей способности пленок КПЖК. Если учитывать тот факт, что все изменения, вызванные внешними воздействиями, например, электрическим полем, то можно предположить, что размер капли ЖК является основным масштабом изображения. Так как средние размеры капель ЖК в пленках КПЖК порядка 1-5 мкм, то для максимально возможной разрешающей способности можно ожидать значения до 1000 1/мм. К настоящему времени в известных экспериментальных работах для разрешающей способности оптически управляемых транспарантов на основе структур фотопроводник - КПНЖК получены значения до 34 линий /мм.

Возможности применения КПЖК. [13]

Так, пленки КПЖК большого размера можно применять в качестве регуляторов интенсивности света, проходящего через окна зданий, для создания информационных табло, рекламных щитов, в виде управляемых электрическим полем слайдов для проекционных аппаратов, в различных дисплеях отражательного типа. Весьма интересны предложения по разработке на основе пленок КПЖК дифракционных решеток, управляемых электрическим полем, по разработке управляемых полем оптических аттенюаторов для волоконно- оптических линий связи. Значительный интерес для разработки устройств на основе пленок КПЖК представляют эффекты оптической нелинейности в КПЖК под действием термических эффектов, а также оптических полей лазерного излучения. Отметим важность для использования эффекта Керра большой величины в пленках КПЖК с каплями ЖК размером меньше длины волны излучения, превышающего 30000 раз эффект в веществе CS2. Перспективным направлением использования пленок КПЖК, является их применение в оптически управляемых транспарантах (модуляторах света).

Функциональные возможности подобного типа устройств значительно расширяются при использовании в пленках КПЖК не только нематических, но также холестерических и хиральных смектических (сегнетоэлектрических) жидких кристаллов.

Заключение. Устройства на основе пленок КПЖК могут успешно конкурировать с устройствами на сплошных слоях ЖК, в том случае, когда необходимо разрабатывать гибкие конструкции большой площади с малыми (порядка миллисекунд) временами срабатывания. Кроме того, использование пленок КПЖК позволяет создавать новые типы устройств с функциональными возможностями, реализация которых с помощью традиционных электрооптических устройств вызывает определенные трудности. Без сомнения, необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, направленные на улучшение основных электрооптических характеристик, а также использование ряда новых эффектов в пленках КПЖК.

Список используемой литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BA% D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B.

2. http://scask.ru/book_t_phis5.php?id=154.

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D1%87%D 0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%B8%D0%B5 _%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B, http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/20747/%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%B8%D0%B5.

4. http://megabook.ru/article/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D0%BA% D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B.

5. Блинов Л М "Электрооптические эффекты в жидких кристаллах" УФН 114 67-96 (1974).

6. http://www.dissercat.com/content/staticheskie-polevye-effekty-v-smekticheskikh-zhidkikhkristallakh.

7. http://alnam.ru/book_elct.php?id=66, http://optics.sgu.ru/~simonenko/labs/012.html.

8. http://www.studfiles.ru/preview/2204280/page:2/, http://ufn.ru/ufn85/ufn85_12/Russian/r8512a.pdf.

9. http://www.bibliorossica.com/book.html?currBookId=6947.

10. http://studopedia.ru/6_120217_zhidkokristallicheskie-vosproizvodyashchie-ustroystva.html.

11. http://www.studfiles.ru/preview/413163/page:12/.

12. http://diss.seluk.ru/av-fizika/831556-1-strukturnie-opticheskie-elektroopticheskie-svoystvaodnoosno-orientirovannih-plenok-kapsulirovannih-polimerom-zhidkih-kristallov.php 13. http://test.kirensky.ru/labs/optics/seh.htm.

Размещено на Allbest.ru