Влияние фазового перехода в сверхтонких пленках жидких кристаллов на электрофизические и оптические свойства

На правах рукописиХЛЫБОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧВЛИЯНИЕ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА В СВЕРХТОНКИХПЛЕНКАХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАСпециальность 01.04.07 ― физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярнойэлектроники физического факультета Московского государственногоуниверситета имени М. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорЛевшин Николай Леонидович,Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорКлечковская Вера Всеволодовна,кандидат физико-математических наук,с.н.с.Малышкина Инна Александровна.Ведущая организация:НИЦ «Курчатовский институт».Защита состоится 27 февраля 2013 г. в 15 час.

30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 35, Центр коллективного пользования МГУ,конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)Автореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наук2013 г.Лаптинская Т. В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Теоретическое и экспериментальное исследование свойств жидкихкристаллов продолжает оставаться в центре внимания специалистов, так какрезультаты этих исследований могут найти непосредственное техническоеприменение в приборах молекулярной электроники.

Для этой целинаибольший интерес представляют сверхтонкие пленки, изготовленные наоснове жидких кристаллов. В работах, опубликованных в последние годы,отмечалось, что свойства смектиков в объемной фазе и сверхтонких пленоктого же состава существенно отличаются. Кроме того, при уменьшениитолщины сверхтонких пленок наблюдается изменение их свойств. Это,прежде всего,происходитькасается фазовых переходов, которые в пленках могутпослойнопомереизменениятемпературы.Структурасмектиков, как правило, неоднородна по толщине пленки. Так, например,монотонно может изменяться угол наклона директора по отношению кнормаликповерхностейсмектическомуоказываетслою.Наличиесущественноеограничивающихвлияниенапленкуравновесныеидинамические характеристики.

Зависимость свойств сверхтонких пленок отих толщины, по-видимому, обусловлена изменением подвижности молекулжидкого кристалла. В настоящее время в научной литературе высказываетсясомнение по поводу существования мезофазы в сверхтонких пленках.В тонких пленках, имеющих структурные дефекты, изменение свойствпри фазовом переходе наблюдается, как правило, в достаточно широкоминтервале температур. Для того, чтобы обнаружить фазовый переход ипонять, какова природа и механизм этого фазового превращения, необходимоподробное изучение самых различных свойств материала в широкоминтервале температур, включающем точку перехода.В литературе в настоящее время практически отсутствуют данные отемпературах и природе фазовых превращений в сверхтонких пленкахжидких кристаллов, а также об изменении оптических, электрофизических и1адсорбционных свойств этих объектов при фазовом переходе.

В то же время,подобные исследования представляют интерес для фундаментальногоисследования систем пониженной размерности и анализа возможностииспользования тонких пленок сегнетоэлектрических жидких кристаллов вустройствах молекулярной электроники.Цель работыОбнаружение в исследуемых образцах фазовых переходов, выяснение ихприроды, исследование влияния фазовых превращений на оптические,электрофизические и адсорбционные свойства.Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующиезадачи:1. Изучить морфологию сверхтонких пленок ТДОБАМБЦЦ, полученныхпо ленгмюровской технологии.2. Провести измерение изотерм адсорбции при различных температурах сцелью обнаружения структурных фазовых переходов в ТДОБАМБЦЦ.3.

Исследовать электрофизические свойства образцов ТДОБАМБЦЦ. Дляэтого измерить вольт-амперные характеристики структур металл жидкокристаллическая пленка - металл на постоянном и переменномтоке при различных температурах, включающих температуру фазовогоперехода. Установить зависимость проводимости образцов от частотыи температуры. Для обоснования механизма фазового переходаисследовать температурную зависимость электроемкости структуры.Изучить влияние донорных и акцепторных молекул на проводимостьпленок ТДОБАМБЦЦ.4. Выяснить влияние толщины пленок ТДОБАМБЦЦ на их свойства сцелью обнаружения размерных эффектов.5.

Изучитьоптическиетемпературах,характеристикивключающихобразцовтемпературу2приразличныхфазовогоперехода.Использовать полученные результаты при описании механизмапротекания фазового перехода в пленках ТДОБАМБЦЦ.Основные методы исследования: в работе применялись атомно-силоваямикроскопия (АСМ),спектрофотометрия в видимой и ультрафиолетовойобластях спектра, электрофизические и адсорбционные методы.Практическая значимость работы.Полученыданные,характеризующиезависимостьструктурных,оптических, электрофизических и адсорбционных свойств тонких пленокжидких кристаллов от таких параметров, как толщина пленки, температураизмерений,характерадсорбируемыхмолекул,частотаивеличинаприкладываемого поля при электрических измерениях, длина волныпадающего света при изучении оптических свойств. С практической точкизрения эти данные могут быть использованы для создания сверхтонкихсегнетоэлектрическихпленок,дляизготовлениямалогабаритныхконденсаторов с большой удельной емкостью и для других применений вэлектрическихиэлектрооптическихсистемах.Резкоеизменениепроводимости пленки при адсорбции донорных и акцепторных молекул изгазовой фазы может быть использовано при создании газоанализаторов.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались наследующих научных конференциях: XVI Международная конференциястудентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009 г.),XVII, XVIII и XIX Всероссийские конференции «Структура и динамикамолекулярных систем» (Яльчик, 2010, 2011 и 2012 гг.), XIV Национальнаяконференция по росту кристаллов (Москва, 2010 г.), VIII Национальнаяконференция РСНЭ-НБИК (Москва, 2011 г.), I Всероссийская конференцияпо жидким кристаллам РКЖК-2012 (Иваново, 2012 г.), International scientificschool «Problems of gas dynamics, heat and mass transfer in power technology»(Moscow, 2011), The 5th forum «Nano and Giga Challenges in Electronics,Photonics and Renewable Energy» (Moscow, 2011), V Международная заочная3научно-практическая конференция «Научная дискуссия: вопросы физики,математики, информатики» (Москва, 2012).ПубликацииОсновноесодержаниерекомендованныхВАКРФдиссертациидляизложеноопубликованияв5статьях,основныхнаучныхрезультатов диссертации на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук, а также в14 тезисах и в 7 сборниках статейконференций.Личный вклад автораОсновная часть экспериментальных исследований выполнена авторомлично, анализ полученных результатов и написание статей проведенысовместно с другими соавторами.Объем и структура диссертацииДиссертационная работа изложена на 137 страницах, содержит 1 таблицу,80рисунковисостоитизвведения,литературногообзора,экспериментальной части, основных выводов и библиографического списка,содержащего 102 ссылки на цитируемые литературные источники.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы цели и конкретные задачи исследования, дана оценканаучной новизны и практической ценности полученных результатов.Первая глава посвящена анализу литературных данных, относящихся ктеме работы.

Приведена классификация основных типов жидких кристаллов.Обсуждаетсяматериалахвозможностьэтоготипа.возникновенияПеречисленысегнетоэлектричестванаиболееважныевобластииспользования жидких кристаллов. Описаны основные способы созданияленгмюровских пленок и их возможной модификации. Рассматриваютсясвойства тонких пленок жидких кристаллов. Обсуждается вопрос обизменении их свойств с толщиной.

На основании проведенного анализасформулированы цели и задачи работы, и сделан вывод, что фазовые4переходы в сверхтонких пленках жидкого кристалла ТДОБАМБЦЦ требуютдальнейшего рассмотрения.Во второй главе описано использованное в работе вещество, а такжеметоды его исследования.Исследованные образцы представляли собой пленки, полученные наосновесоединенияШиффап-тетрадецилоксибензилиден-п’-амино-2-метилбутил(α-циано)циннамата (ТДОБАМБЦЦ) (рис.1). Это соединениеявляется сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (смектиком С*) винтервале температур 54-70оС в объемной фазе.Рис.

1. Молекула ТДОБАМБЦЦ.Изучались тонкие пленки двух типов. Одна серия образцов былаизготовлена по ленгмюровской технологии. Для их получения использовалсяраствор ТДОБАМБЦЦ в хлороформе с концентрацией (1–3)∙10-2 масс.%.Раствор объемом 1 мл медленно распылялся на поверхность воды площадью0,1 м2 в ленгмюровской ванне.

Далее был использован метод ЛенгмюраШефера для перенесения нужного количества слоев на твердую подложку.Перенос производился при давлении π = 5-6 мН/м. Для проведенияоптических измерений пленки толщиной 30 монослоев наносились наподложки из кварцевого стекла. Для адсорбционных исследований в качествеподложки использовались кварцевые резонаторы частотой 5МГц, на которыенаносились пленки в 5 и 10 монослоев.

Для изучения электрофизическихсвойств вещества образцы толщиной 1, 3, 5, 10 монослоев переносились наподложки из стекла с предварительно напыленными алюминиевыми5электродами. Сверху на пленки наносился второй алюминиевый электрод.Таким образом, в полученной структуре могла измеряться поперечнаяпроводимость пленки. Площадь перекрытия электродов составляла 1 мм 2.Другая серия образцов наливных жидкокристаллических пленоктолщиной 500–1000 нм была получена с помощью центрифуги из растворатого же состава. Толщина образцов второй серии была меньше шагасмектической спирали этих жидких кристаллов, минимальная величинакоторого составляет ~2 мкм.Исследуемые образцы помещались в измерительные ячейки, которыеподпаивалась к вакуумной установке.