лабораторный_практикум_по_жк

скопа. Вместо окуляра на тубус микроскопа надевается окулярмикрометр для измерения размеров доменов.

Рассмотрим образец при скрещенных поляроидах, вращая столик микроскопа. Кристалл гасится четыре раза, когда оптическая ось совпадает с плоскостью поляризатора или анализатора. Подключим образец к источнику тока, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Схема ячейки с образцом нематика

Показано направление оптической оси и ориентация поляризатора (П) и анализатора (А).

Рис. 7. Определение периода с помощью окуляр-микрометра

31

Выведем анализатор и подадим напряжение 8В при 20Гц. Образующаяся система ярких фокусных линий доменов видна только тогда, когда плоскость поляризации параллельна натиранию, т. е. оптической оси. Это легко увидеть, вращая поляризатор.

После установки максимальной яркости доменов проводятся измерения пороговых характеристик. Легко увидеть, что домены направлены перпендикулярно начальной ориентации директора и возникают при достижении порогового напряжения Vn, что соответствует теории.

Когда домены сформировались, их период можно определить, вращая барабан окуляр-микрометра и отмечая число делений при прохождении метки от одной яркой линии к другой, как показано на рис. 7. Цену деления окуляр-микрометра определяют с помощью объект-микрометра, т. е. эталонной линейки длиной 1 мм и ценой деления 10 мкм.

При больших частотах сказывается неоднородность электропроводящего слоя и толщины образца, что приводит к «пятнистости». На разных участках образца Vn варьируется довольно сильно, поэтому наблюдается одновременно ДРС, домены и «чистые» участки. Кроме того, домены начинают двигаться, что препятствует измерению λ(ν). Полученные результаты сводятся в таблицы Vn(ν) и λ(ν), а затем отображаются графически.

Задание 2

Оценка теоретических моделей ЭГД-неустойчивости. Удобно представить полученные результаты в виде зависимости

lgVn и lgλ(ν).

Общие формулы теории ОРСЭ дают приближенные значения Vn(ν) при подстановке табличных значений параметров (см. таблицу МББА и ПАА (n– азоксианизол)).

Vn2(π/d) = 4π3ε||K33/(ε – ε||)ε ·(1 + ω2τ2)/(ξ2 – (1 + ω2τ2)) Vn2(λ) = 4π3ε||K33/(ε – ε||)ε ·(1 + ω2τ2)/(ξ2 – (1 + ω2τ2))·d2/λ2.

Здесь

ω = 2πν; Δε = ε|| – ε ; ηс = ½(– α2 + α4 + α5) ξ2 = (1 – σ ε||/σ||ε )·(1 + α2ε||/ηсΔε).

32

После подстановки значений параметров ν и λ получим табличные данные

Vn(π/d ν) и Vn (λ,ν) для ПАА и МББА.

Расчетные кривые строятся в координатах Vn(ν) и lgVn(ν). Модифицированная теория Орсэ-Бата позволяет опреде-

лить область применимости теории Орсэ без привлечения табличных параметров по формуле:

Y2 – 1/ ν2 = 4π2 τ2 + Y2/νс2; Y = Vn(ν)/Vn(0); Vn(0) ≈ 6B.

Здесь νс – критическая частота, τ – время диэлектрической релаксации.

Ясно, что в координатной системе (Y2–1/ ν2;Y2) формула ОрсэБата выражается линейной зависимостью, причем, по углу наклона в точке пересечения с осью ординат можно определить τ и νс.

При использовании экспериментальных значений Vn(ν) строится график (Y2), и по нему определяются τ и νс для об-

разца МББА.

Вопросы и задания

1.Опишите механизм возникновения ЭГД-неустойчивости.

2.Как возникает картина фокусных линий?

3.Охарактеризуйте различные режимы ЭГД-неустойчивости.

33

Лабораторная работа № 4

ЭФФЕКТ ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ

Одной из причин, обусловивших стремительный рост исследований в области жидких кристаллов, является перспектива их практического исследования в новой технике. Сюда относятся вопросы повышения надежности изделий микроэлектроники, компактности электронных устройств в сочетании с обеспечением низкой потребляемой мощности и т. д. Круг задач, который может быть решен с помощью жидкокристаллических устройств, практически охватывает все основные задачи информационной техники: получение, хранение, передачу и воспроизведение информации.

Рассмотрим поведение тонких слоев жидкого кристалла под воздействием электрического поля. Для этого жидкий кристалл помещается между плоскими стеклами, на поверхность которых нанесены прозрачные электроды из SnO2 или In2O3. Заметим, что слой жидкого кристалла можно сделать однородным «монокристаллическим». Для получения слоя с оптической осью, направленной параллельно поверхности ячейки, электроды предварительно подвергаются обработке натиранием бумагой или тканью в определенном направлении. Длинные оси молекул жидкого кристалла в этом случае ориентируются параллельно направлению натирания. Ориентацию можно получить также наложением магнитного поля. Длинные молекулярные оси ориентируются параллельно силовым линиям. Для получения слоя с оптической осью, перпендикулярной к электродам, их тщательно очищают. В этом случае часто спонтанно образуется монокристаллический слой. Либо в жидкий кристалл вводят определенные примеси (0,1 – 0,5 % лецитина, полиамидной смолы и др.), ослабляя действие твердых поверхностей на жидкий кристалл.

Для получения ориентированных слоев жидкого кристалла используют также нанесение на поверхность электродов органических и неорганических тонких пленок.

34

Электрооптические эффекты будут зависеть не только от первоначальной ориентации оптической оси жидкокристаллического слоя, но и от его толщины, знака диэлектрической анизотропии и др.

Рассмотрим поведение однородно ориентированного слоя толщиной 15–30 мкм. Пусть жидкий кристалл обладает отрицательной диэлектрической анизотропией, у которого диэлектрическая проницаемость в направлении длинных молекулярных осей ε|| меньше, чем ε в перпендикулярном направлении: ε||-ε <0. Молекулы таких веществ обладают дипольным моментом, расположенным поперек длинной молекулярной оси. Примером может служить п-азоксианизол:

Дипольный момент μ = 2,48·10–18 ед. СГС образует угол 57,5о с длинной осью молекулы.

Пусть длинные молекулярные оси параллельны оси ОY ячейки. Поле Е направлено по ОZ (рис. 1). При достижении порогового напряжения V1≈5 – 7B в поле зрения микроскопа возникает доменная картина, видимая как в простом свете, так и в поляризованном (рис. 2). Длинные оси доменов направлены поперек ОХ и параллельно оси ОY (поперечные домены).

Жидкий кристалл обладает анизотропией электропроводности σ|| > σ , так как подвижность ионов больше в направлении длинных молекулярных осей. Вследствие этого в слое жидкого кристалла возникают пространственные заряды. В случае постоянных электрических полей пространственные заряды пополняются и за счет инжекции электронов с катода.

Движущие ионы вызывают поворот молекул и течение вещества. Это в сочетании с ориентирующим действием поля Е на молекулы вызывает электрогидродинамическую нестабильность. Возникают вихревые трубки, течение которых переориентирует молекулы. Образуется как бы система цилиндрических линз, которая фокусирует световые пучки и дает правильную параллельную ОY систему фокальных линий.

35

Рис. 1. Система вихревых трубок

Рис. 2. Доменная картина

При увеличении напряжения V2 ≈ 12 – 15 В домены становятся неустойчивыми, перемещаются в плоскости стекол ячейки (X, Y, Z). Продолжая увеличивать V, можно получить новое состояние образца, названное эффектом динамического рассеяния света (ДРС).

Визуально в поле зрения микроскопа наблюдается «кипение» вещества, непрерывное хаотическое движение отдельных элементов текстуры. Непосредственное наблюдение за ячейкой показывает, что образец мутнеет, сильно рассеивает свет в больших углах.

В настоящее время большинство исследователей считают эффект ДРС следствием турбулизации течения, первоначально существующего в виде электроконвективных доменов. При этом

36

расположение (директора – направления ориентации молекулярных осей) в слое кристалла описывают непрерывным набором волновых векторов k от наибольшего π/w до наименьшего π/d. Здесь W – некий «минимальный масштаб» турбулентности. Углы дифракции ϕ определяются формулой:

sinφ = k·λ,

где k – набор значений волновых векторов. Поэтому эффект ДРС можно представить как дифракцию света на фазовой решетке со случайным периодом, индуцированным случайным распределением директора в плоскости X, Y, Z за счет турбулентного течения.

Вторая точка зрения на природу ДРС состоит в следующем. При турбулентном течении жидкости возникают области 1 – 5 мкм с различными показателями преломления. Рассеяние света происходит на границах этих областей. Моделью такого состояния является оптически изотропная среда, в которой взвешены частицы с другим показателем преломления. В рамках такой квазиизотропной модели можно использовать для расчета известные теории рассеяния света на прозрачных частицах, которые обычно дают приемлемые величины рассеивающих центров, совпадающие с характеристическими размерами в текстуре образца на стадии ДРС.

Однако этот чисто феноменологический подход основан на простом соответствии картины рассеяния и изображения текстуры образца в световом пучке одинаковой поляризации.

Третий подход к эффекту ДРС предполагает это явление предельным случаем возмущения электроконвективных доменов.

Таким образом, эффект ДРС связан с турбулизацией течения, когда домены начинают беспорядочно двигаться, разрушаются и возникают вновь. Рассеяние света в больших углах приводит к уменьшению интенсивности света, проходящего через ячейку. Саморассеяние является результатом дифракции света на сложной фазовой решетке доменов, находящейся в непрерывном беспорядочном движении. Поэтому вид картины рассеяния света и интенсивности пропускания I находятся в зависимости от взаимной ориентации оптической оси исходного нематического монокристалла и поляроидов.

Если направление поляризации совпадает с первоначальной ориентацией молекул (с направлением натирания), то при

37

параллельных поляроидах хорошо видна беспорядочно меняющаяся сетка ярких фокусных линий («кипение образца»). В скрещенных поляроидах особенно хорошо видны районы узлов, где молекулы повернуты в плоскости стекол ячейки (X, Y). При поляризации, направленной перпендикулярно длинным осям молекул, видны только темные линии дисклинаций, появляющиеся все чаще по мере турбулизации течения (поляроиды параллельны). Поэтому светопропускание ослабляется мало. Картины дифракции света для указанных случаев показаны на рис. 3.

П↕	↕А		П↕	↔А

П↕ ↕А

Рис. 3. Дифрактограммы светорассеяния на первоначальной стадии ДРС. Отдельные рефлексы наблюдаются вплоть до 40В

При увеличении V интенсивность в рефлексах уменьшается, а диффузионный фон возрастает.

Поэтому представляется, что эффект ДРС не следует интерпретировать как рассеяние света на частицах некоторой оптической плотности, взвешенных в среде с другой оптической плотностью.

Более корректным является представление о фазовой дифракционной решетке, испытывающей все возрастающие с напряжением флуктуации формы и размеров периодичности. Фазо-

38

вая решетка представляет собой некое возмущенное состояние электроконвективных вихревых трубок-доменов (рис. 5).

Зависимость светопропускания от напряжения при различных положениях образца и поляроидов показаны на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость контрастного отношения ДРС для прямого пучка света:

1 – поляризатор П ↕ ↕А;

2 – поляризатор П ↕

Анализатор убран (смесь МББА и ЭББА).

Контрастное отношение для прямого пучка К = I(V)/I(0) уменьшается от 1 до1/100.

Приведем некоторые экспериментальные характеристики эффекта ДРС. Вид контрастной кривой не зависит от длины падающего света в видимой части спектра. При увеличении V увеличивается доля света, рассеянного под большими углами (до 40о). Увеличение d требует повышения рабочего напряжения V для создания такого же ослабления света. Чем меньше d, тем меньше период решетки и больше углы рассеяния. Пороговое напряжение Vn в постоянном поле практически не зависит от толщины образца d. Рассеяние существенно зависит от оптической анизотропии кристалла, не зависит от плотности тока, различно для разных ориентаций анализатора, поляризатора и образца.

Эффект ДРС широко используется в электрооптических устройствах на жидких кристаллах. Эффект ДРС можно исполь-

39

зовать для устройств систем отображения информации: буквен- но-цифровые индикаторы, матричные системы и др.

Ячейки могут быть выполнены по схеме на «просвет» или на «отражение» (один из электродов зеркальный). Вследствие динамического рассеяния изменяется либо прозрачность, либо интенсивность отражения. Один из электродов может быть сплошной, формирующий изображение – зеркальный. Например, цифровой индикатор состоит из семи сегментов (рис. 6). Коммутируя напряжение, получают молочно-белое изображение соответственно. Максимальный коэффициент контрастности изображения, получаемого на этом эффекте, достигает 20–30 при напряжении 20–50 В. Время, в течение которого возникает эффект, составляет 1–5 мс и зависит от плотности тока. Время исчезновения зависит от температуры вещества и составляет 20– 1000 мс. Использование схем, подавляющих время выключения, снижает его до 1–5 мс.

Для получения изображения может быть использована матричная система с нанесенными перекрещивающими X – Y электродами, между которыми расположен слой жидкого кристалла (рис. 7). Подавая на X – Y электроды напряжения, на соответствующей точке матрицы создаются перекрещивающиеся поля, которые «засвечивают» ее. Правда, вследствие паразитных токов может возникнуть «кросс-эффект», приводящий к появлению засветки на других элементах матрицы. Избежать этого нежелательного эффекта можно путем использования дополнительного слоя ферроэлектрической керамики. Этот слой для переменного тока представляет большую емкость, которая сильно возрастает с напряжением. При соответстствуюших параметрах напряжение, приложенное к жидкому кристаллу, будет иметь резко выраженный нелинейный характер. В этом случае напряжение на нерабочих элементах матрицы соответствует времени развертки в телевизионных системах, что дает возможность создания плоских телевизоров. Сочетание же плоских матриц с электронными трубками или фотослоями позволяет получить большое усиление яркости.

Эффект динамического рассеяния используется и для других целей: амплитудные модуляторы, оптроны, оптические аттеньюаторы, и т. д. Приведем хорошо известный пример исполь-

40