1.6.4 Жидкокристаллические телевизоры

Экран LCD – это экран просветного типа, то есть экран, который подсвечивается с обратной стороны лампой белого цвета, а ячейки основных цветов (RGB – красный, зеленый, синий), расположенные на трех панелях соответствующих цветов, пропускают или не пропускают через себя свет в зависимости от приложенного напряжения. Именно поэтому происходит определенное запаздывание картинки (время отклика), особенно заметное при просмотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных моделях разнится от 15 мс (миллисекунды, 1мс – одна тысячная секунды) до 40 мс и зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быстрее меняется изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.

Время работы лампы для большинства LCD-панелей почти на начальной яркости – 60 000 часов (этого хватит примерно на 16 лет при просмотре телевизора по 10 часов в день). Для сравнения: у плазменных телевизоров яркость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а для кинескопных телевизоров (выгорает люминофор) порог – 15000-20 000 часов (приблизительно 5 лет), потом качество заметно ухудшается.

Часть 2. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы As – Ge – Te согласно варианту 11.

2.1. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы определить фигуративные точки сплавов следующей концентрации:

а) As – 100%, Ge – 0%, Te – 0% (точка А);

б) As – 35%, Ge – 15%, Te –50% (точка В).

Для определения фигуративных точек воспользуемся правилом «трёх отрезков». Если из точки, лежащей внутри концентрационного треугольника и характеризующей трёхкомпонентный сплав, провести на любую из сторон треугольника две прямые, параллельные двум другим сторонам треугольника, то они разделят эту сторону на три отрезка. При этом длина отрезка, примыкающего к вершине треугольника, по отношению к длине стороны треугольника характеризует состав по компоненту, стопроцентный состав которого лежит на противоположной вершине этой стороны. Отрезок же лежащий между двумя отрезками, граничащими с вершинами, характеризует состав третьего компонента сплава. Согласно этому правилу были определены фигуративные точки А и В для пунктов а) и б) соответсвенно (рисунок 2.1).

2.2. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы изобразите:

а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию Te, равную 50%;

б) совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотно­шением компонентов Te:Ge =3:1.

Расположение некоторых сплавов в концентрационном треугольнике подчиняется определённым закономерностям, важнейшими из которых являются:

- все сплавы, фигуративные точки которых расположены на прямой, параллельной одной из сторон треугольника, содержат одинаковые концентрации того компонента, которому соответствует вершина, противоположная данной стороне.

- сплавы фигуративные точки которых лежат на прямой, проходящей через одну из вершин треугольника содержат в одинаковом количественном соотношении компоненты, соответствующие двум другим вершинам.

Согласно первому правилу был решён пункт а). Решение представлено на рисунке 2.1 прямой h. Согласно второму правилу была найдена прямая k, являющаяся решением пункта б) и изображённая на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1- Поверхность ликвидуса системы As-Ge-Te (для пунктов 2.1-2.2)

2.3. Напишите фазовые превращения, соответствующие линиям двойных эвтектик, точкам тройных эвтектик и точке перитектики.

Для линий двойных эвтектик (см. рисунок 2.2.) запишем:

e1 – E1: L ↔ GeTe + Te;

e2 – E1: L ⇄ As₂Te₃ + Te;

e3 – E2: L ⇄ As + As₂Te₃;

e4 – E3: L ⇄ GeAs₂ + As;

e5 – E4: L ⇄ Ge + GeAs;

e6 – E4: L ⇄ Ge + GeTe;

p – P: L ⇄ GeAs + GeAs₂;

E1 – E2: L ⇄ GeTe + As₂Te₃;

E2 – E3: L ⇄ As + GeTe;

E3 – P: L ⇄ GeAs₂ + GeTe;

Е4 – Р: L ⇄ GeAs + GeTe.

Для точек тройных эвтектик и перитектики:

E1 : L ⇄ Te + As₂Te₃ + GeTe;

E2 : L ⇄ As + As₂Te₃ + GeTe;

E3 : L ⇄ As + GeAs₂ + GeTe;

E4 : L ⇄ Ge + GeAs + GeTe;

P : L+GeAs ⇄ GeAs₂ + GeTe.

Рисунок 2.2-Поверхность ликвидуса системы As-Ge-Te (для пунктов 2.4-2.8)

2.4. При какой температуре начнет кристаллизоваться сплав состава Ge:As:Te = 50%:40%:10%, если он охлаждается из жидкого состояния.

Сплав указанного состава обозначен на рисунке 2.2 концентрационного треугольника системы точкой C. Пользуясь данными рисунка, находим, что этой точке соответствует температура начала кристаллизации, равная примерно 710 ⁰C.

2.5. Каков состав первых кристалликов, выпадающих при температуре сплава С ? Как будет изме­няться состав жидкой фазы при дальнейшем охлаждении данного соста­ве?

Первыми кристалликами, выпавшими в процессе кристаллизации сплава С, будут кристаллики GeAs. При охлаждении состав жидкой фазы будет изменяться по линии C – E (см рис. 2.2.).

2.6. Определить количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава С при охлаждении его до температуры 700 ⁰C.

Для определения количества твёрдой фазы воспользуемся рисунком 2.2. Как было указано в пункте 2.5. при охлаждении сплава С состав жидкой фазы будет изменятся по линии С – E. Температуре 700⁰С на этой линии соответствует точка D. Обозначим отрезок D – C через x, а отрезок As – С через y. По правилу рычага

.

Из условия известно, что x + y = 5 (кг). Решая два получившихся уравнения совместно относительно x и y, находим, что y = 4 (кг), а х = 1 (кг). Это массы жидкой и твёрдой фаз соответственно при температуре 700⁰С.

2.7. При какой температуре в сплаве состава С начнет выделяться второй компонент? Что это за компонент? Как будет изменяться состав жидкой фазы?

В точке E пересечения линии GeAs – C – E с линией Е4 – Р начнёт выделяться второй компонент – соединение GeTe. Пользуясь данными рисунка 2.2. находим, что точке E соответствует температура около 620⁰C. Далее состав жидкой фазы будет изменяться по линии Е – Р до точки Р

2.8. При какой температуре закончится кристаллизация жидкой фа­зы сплава C? Какое фазовое превращение протекает при этой температуре? Каков состав последней капли рас­плава?

Кристаллизация жидкой фазы сплава С закончится в точке перитектики Р, где вся жидкость перейдёт в смесь твёрдых кристаллов:

L + GeAs ⇄ GeAs₂ + GeTe.

Пользуясь данными рисунка 2.2. находим, что точке P соответствует температура около 600 ⁰C. Состав последней капли расплава так же определяется точкой P. Ей соответствует 25% As, 32% Te и 43% Ge.

.

2.9. Укажите на концентрационном треугольнике составы сплавов системы Аs-Ge-Te, испытывающих при кристаллизация два нонвариантных превращения (эвтектическое и перитектическое).

Сплавы, испытывающие при кристаллизации два нонвариантных превращения (эвтектическое и перитектическое) находятся внутри треугольника GeTe – P – GeAs₂.

2.10.-2.11. По диаграмме состояния системы Аs-Ge-Te постройте по­литермический разрез системы с постоянным содержанием Te, равным 50%. Используя политермический разрез, постройте кривые охлаж­дения двух выбранных Вами сплавов.

Решение представлено на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Решение пунктов 2.10 – 2.11 :1’ – Ж + GeTe + Te; 2’ – Ж + GeTe + As₂Te₃ + Te; 3’ – Ж + As₂Te₃ ; 4’ – Ж +As; 5’ – Ж + As + As₂Te₃

2.12. К какому классу полупроводниковых соединений относится фаза GeTe? Какова особенность зонной структуры данного соединения и где применяются полупроводники данной группы?

Фаза GeTe относится к классу полупроводниковых соединений типа A^IVB^VI. Соединения этого класса образуются элементами, симметрично расположенными относительно элементов VB подгруппы. Среднее число валентных электронов на 1 атом у них равно 5. Соединения этого класса кристаллизуются либо в структуру NaCl (высокотемпературная модификация GeTe) , либо в орторомбическую, которую можно рассматривать как деформированную решетку NaCl ( низкотемпературная модификация GeTe).

Согласно диаграмме, мы имеем дело именно с низкотемпературной модификацией соединения GeTe (T_пер ≈ 700⁰C), что позволяет утверждать, что решётка у неё орторомбическая. Температура полиморфного превращения орторомбической модификации GeTe в кубическую приблизительно равна 705К и зависит от избыточной концентрации атомов компонентов. Отметим, что при низких температурах GeTe становится сверхпроводником, температура перехода Т_с=0,04-0,32К и зависит от состава фазы (увеличивается с ростом концентрации Te).

Соединения A^IVB^VI - узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны у которых мала. Зонная структура этих полупроводниковых соединений более сложная, чем зонная структура алмазоподобных полупроводниковых соединений. Отличительной особенностью является то, что максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости располагаются на краю зоны Бриллюэна в направлении [111]. Еще одной особенностью зонной структуры таких соединений можно выделить то, что ширина запрещенной зоны определяется прямыми переходами в точке L. Величина волнового вектора k определяется как k=π/a[111]. Примесные уровни у данной группы соединений сливаются с краями основных зон (E_c и E_v). Это приводит к тому, что концентрация носителей заряда в таких полупроводниках практически не зависит от температуры (от очень низких и до температуры T > 300 K, когда наступает собственная электропроводность). Величина запрещённой зоны у соединений A^IVB^VI возрастает с увеличением температуры вплоть до 500 K. Энергия ионизации точечных дефектов не высока, поэтому кристаллы этих соединений содержат высокую концентрацию носителей заряда. Соединение GeTe является односторонней фазой: область твердых растворов при температурах выше 273К лежит вне стехиометрического состава, что приводит к тому, что нелегированный кристалл такого соединения обладает дырочным типом проводимости.

В тройных и четверных фазовых диаграммах соединения типа A^IVB^VI образуют квазибинарные системы.

Соединения А^IVВ^VI находят широкое применение в качестве фоточувствительных элементов в инфракрасной области спектра.

2.13 Промежуточные фазы, характеризующиеся широкой областью гомогенности, представляющие собой твердые растворы на основе химических соединений постоянного состава, называются дальтониды.

Промежуточные фазы, характеризующиеся широкой областью гомогенности, представляющие собой твердые растворы на основе химических соединений переменного состава, называются бертоллиды.

Исходя из выше написанных определений, можно сделать вывод, что бертоллидом является соединение GeTe, а все остальные соединения (GeAs, GeAs₂, As₂Te₃) системы As-Ge-Te являются дальтонидами (см. рис. 2.3.).

Рисунок 2.3. Области гомогенности твердого раствора системы Аs-Gе-Te.

Заключение

Итак, жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.

Недавно открыты и интенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет активное исследование гибкоцепных элементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике, информатике, голографии и т. п.).

Литература:

1 Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N11. С.37-46.

2 . Чандрасекар С. Жидкие кристаллы – М.:Мир, 1980 с.344

3 Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. – Минск:Изд-во НПООО «Микровидеосистемы», 1998 с.238

4 Л.И. Янченко. Физическое материаловедение: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун – т, 2005. 207с.

5 Самарин, Жидкокристаллические дисплеи. Схемотехника, конструкция. Солон. М. 2004.

5 Мартин, Немудров. Системы на кристалле. Проектирование и развитие. Техносфера. М. 2004.

5