Влияние электрического и магнитного полей на термотропные и литотропные нематические жидкие кристаллы, страница 2

Работа изложена на 295страницах, включая 132 рисунка и 5таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьнаучногоисследования,определена цель работы, ее научная новизна и практическая значимость,сформулированы основные положения, выносимые на защиту.Глава 1 содержит обзор основных экспериментальных и теоретическихданных по теме диссертации. Глава состоит из четырех параграфов. В первомприведена классификация термотропных и лиотропных жидких кристаллов.Вовторомпараграфесформулированыосновытеорииконтинуумаодноосных нематических жидких кристаллов. Третий параграф посвященописанию литературных (экспериментальных и теоретических) данных овлиянии электрического поля на термотропные нематические жидкиекристаллы.

В четвертом параграфе подведены итоги литературного обзора икак следствие сформулирована цель диссертационной работыГлава 2Влияние электрического поля на гомеотропные слои термотропныхнематических жидких кристалловПервый параграф посвящен методике экспериментов. Рассмотреныиспользованные методы получения гомеоторопных нематических слоев иобоснован выбор термотропного нематика и ориентанта.Так как данная глава посвящена исследованию влияния границ наэлектрооптику жидких кристаллов, то в качестве объекта исследования былвыбран наиболее полно изученный нематик N - (n - метоксибензилиден) - n -10бутиланилин(МББА).Вкачествеориентантабылвыбранцетилтриметиламмонийбромид (ЦТАБ).Перед обработкой ориентантом опорные поверхности очищались вспирте и ацетоне, после чего просушивались в сушильном шкафу притемпературе 120 0С в течение трех часов. Затем стекла обрабатывалисьориентантом путем их вытягивания из водного раствора ЦТАБ со скоростью0.5 см/мин.

Приготовленные таким образом стекла просушивались всушильном шкафу при температуре 60 0С в течение двух часов.Для исследования флексоэлектрического эффекта в качестве прокладокиспользоваласьодновременноалюминиеваяслужилавфольгакачестветолщиной15электродов.мкм,котораяРасстояниемеждуэлектродами изменялось от 1 до 3.5 мм. При исследовании толщинныхзависимостей электрооптических свойств во флексоэлектрическом эффектеиспользовались наборные электроды.Для исследования перехода Фредерикса использовались стекла снапыленными электродами из SnO2.

В качестве прокладок использоваласьлавсановая пленка. Здесь, как и при исследовании флексоэлектрическогоэффекта, для изменения толщины использовались наборные прокладки.Для исследования электрооптики гомеотропных нематических слоевиспользовались два метода: поляризационно - оптический и лазерно фазометрический, разработанный в лаборатории М - 7 Всесоюзного научноисследовательского института оптико - физических измерений. Используяэтиметодыисследовалисьзависимостидвулучепреломления∆nгомеотропных нематических слоев различной толщины и при разныхтемпературах от напряженности E электрического поля.Внастоящемнеоднородностипараграфеэлектрическоготакжеполяпроведенианализвлиянияэлектропроводностинаэлектрооптические свойства гомеотропных нематических слоев.В заключение параграфа представлен анализ погрешностей измерений.Среднеквадратичнаяошибкаприопределении∆n / E 2во11флексоэлектрическом эффекте составляет 2⋅10-8 см2/В2.

Относительнаяошибкаприисследованииэтойвеличинысоставляет10%.Дляхарактеристики точности определения порогового напряжения ФредериксаUn использован метод доверительных интервалов. Для доверительнойвероятности α = 0.95 полуширина доверительного интервала составляет 0.2В.В§2представленырезультатыисследованияобратногофлексоэлектрического эффекта в сильных электрических полях. Намивпервые обнаружены отклонения от квадратичного закона в зависимостях∆n от напряженности электрического поля E.

Для теоретического описанияэтихотклоненийнамифлексоэлектрическойвпервыедеформациирешенанелинейнаязадачагомеотропного нематическогоослоя.Уравнение равновесия и граничные условия для этой задачи имеют вид:Kd 2θdz2−εa 2E sin 2θ = 0 ,8π(2.1)W⎧ dθ22KeepE(sinθcosθcos2θ)sin 2θ = 0, z = d / 2+−−+130⎪⎪ dz2, (2.2)⎨⎪− K dθ − (e sin 2 θ − e cos 2 θ − p cos 2θ ) E + W sin 2θ = 0, z = −d / 2130⎪⎩2dzгде K - константа упругости, ось координат Z направлена по нормали к слою,θ - угол отклонения директора от нормали к слою, εa - анизотропиядиэлектрическойпроницаемости,e1иe3-флексоэлектрическиекоэффициенты, p0 - поверхностная поляризация, W - энергия сцепления, d толщина слоя. Расчет двулучепреломления осуществлялся по формуле:2∆n =dd /2∫0⎡⎤n0− n 0 ⎥ dz ,⎢⎢⎣ a + b cos 2 θ⎥⎦(2.3)где a = n02 / ne2 , b = 1 − a , n 0 и ne - обыкновенный и необыкновенныйпоказатели преломления соответственно.На рис.

2.1. показаны экспериментальные и теоретические зависимостидвулучепреломления от напряженности электрического поля.12Рис. 2.1. Зависимости двулучепреломления ∆n от квадрата напряженности поля Eдля образцов с различной толщиной d и температурой TNI-T: 1 - 15 мкм, 16 0С; 2 - 30 мкм,16 0С; 3 - 50 мкм, 16 0С; 4 - 90 мкм, 4.5 0С. Сплошными линиями показаны расчетные2значения ∆n ( E ) .В таблице 2.1. представлены значения W, p0 и e1 при которых полученытеоретические кривы на рис.

2.1.Таблица 2.1.d, мкм15305090W, эрг/см21.9⋅10-43⋅10-42⋅10-41.8⋅10-4p0, дин1/25.1⋅10-45⋅10-44.9⋅10-45⋅10-4e1, дин1/2-6.2⋅10-4-6⋅10-4-5.8⋅10-4-6.1⋅10-4По квадратичной части зависимости ∆n (E ) для образцов различнойтолщины нами были определены e3+p0 = (6.8 ± 0.7)⋅10-5 дин1/2 и W = (1.6 ±0.4)⋅10-4 эрг/см2. Полученные значения энергии сцепления обоими методамихорошосогласуютсяэкспериментальноемеждусобой.преимуществопоОднако,первыйсравнениюсометодвторым.имеетЭтопреимущество заключается в том, что определение e3+p0 и W можно провестина образце одной толщины, что значительно упрощает процедуруэксперимента.13В §3 и 4 представлены результаты экспериментального исследованиявлиянияэнергиисцепленияиповерхностнойполяризациинаэлектрооптические свойства гомеотропных нематических слоев.Нами измерены зависимости двулучепреломления от напряженностиполя при концентрациях водного раствора ЦТАБ 10-7М и 10-2М.

Измеренияпроводились при температуре TNI-T = 12 0C для образцов с различнойтолщиной. По квадратичной части этих зависимостей были полученызависимостивеличины∆n / E 2 d 2оттолщиныобразцов,которыепредставлены на рис. 2.2.2Рис. 2.2. Зависимости величины ∆n / E d2от толщины слоя d при концентрацияхводного раствора ЦТАБ 1 - 10-7 М, 2 - 10-2 М и температуре TNI-T = 12 0C.Используя результаты, представленные на рис.

2.2.определены энергиясцепления W и e3+p при различных концентрациях ЦТАБ. При концентрацииЦТАБ 10-7 М, W = 5.7⋅10-5 эрг/см2, e3+p = 5.6⋅10-5 дин1/2. При концентрацииЦТАБ 10-2 М, W = 8.4⋅10-6 эрг/см2, e3+p = 2.8⋅10-5 дин1/2. Таким образом, сувеличением плотности ориентанта наносимого на стекло энергия сцепленияуменьшается, а также уменьшается величина поверхностной поляризации.Это, в свою очередь, сказывается на электрооптических характеристиках14гомеотропныхнематическихслоев.Особенносильноэтовлияниепроявляется в тонких слоях (10 - 100 мкм) (рис. 2.2).На рис.

2.3 представлена зависимость порогового напряженияФредерикса от толщины слоя при различных концентрациях водногораствора ЦТАБ.Рис. 2.3. Зависимость порогового напряжения Фредерикса Un от толщины слоя dпри различных концентрациях водного раствора ЦТАБ: 1 - 10-2 М, 2 - 10-7 М итемпературе TNI-T = 12 0C.Зависимость порогового напряжения Фредерикса от толщины слоя приконечной энергии сцепления определяется неявной функциейξπ U ,U= ctg ⋅d UF2 UF(2.4)⋅где ξ = πK 3 / W , UF - напряжение Фредерикса при бесконечно сильнойэнергии сцепления. Сопоставление (2.4) с экспериментальными значениямиUn позволило рассчитать ξ и UF. По определенной таким образом величине ξрассчитывалась энергия сцепления. Для концентрации водного раствораЦТАБ 10-7 М и 10-2 М, W = 2⋅10-3 эрг/см2 и 1.9⋅10-4 эрг/см2 соответственно.Сплошнымикривыминарис.2.3показанызависимостиUn(d),соответствующие расчетным значениям ξ и UF.Из рис.

2.3 следует, что конечность величины W приводит квозрастанию порогового напряжения Фредерикса при увеличении толщиныслоя. Увеличение энергии сцепления приводит к более резкому возрастанию15порогового поля от толщины слоя. С уменьшением концентрации водногораствора ЦТАБ величина W увеличивается, что качественно согласуется срезультатами исследования флексоэлектрического эффекта.В §5 суммированы основные результаты главы 2.Глава 3Упругие и вязкие свойства лиотропных нематических жидкихкристалловВ §1 представлены результаты экспериментальных исследованийвлиянияэлектрическогополянаизотропнуюфазусистемыдисульфоиндантрон (DSI) - вода.