Автореферат (Структура и электрооптические свойства холестерических и нематических жидких кристаллов с неоднородным распределением директора)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСванидзе Анастасия ВладимировнаСтруктура и электрооптические свойства холестерических инематических жидких кристаллов с неоднороднымраспределением директора01.04.07 — физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург20182Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Аксенова Елена ВалентиновнаНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор кафедры статистической физики, ФГБОУ ВОСанкт-Петербургский государственный университетОфициальные оппоненты : Куликов Кирилл Геннадьевичдоктор физико-математических наук, профессор кафедрывысшей математики, ФГАОУ ВО Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого,г.

Санкт-ПетербургМиранцев Леонид Владимировичдоктор физико-математических наук, ведущийнаучный сотрудник лаборатории микромеханикиматериалов, ФГБУН Институт проблеммашиноведения РАН, г. Санкт-ПетербургВедущая организация :Санкт-Петербургский национальный исследовательскийуниверситет информационных технологий, механикии оптики, г.

Санкт-ПетербургЗащита состоится “2018 г. на заседании диссертационного совета”Д 212.232.33 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, насоискание ученой степени доктора наук на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу 198504, г. Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская, д. 1,Малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.

М. Горького СанктПетербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт- Петербург, Университетская наб., д. 7/9. Диссертация и автореферат диссертации размещены на сайтеhttps://disser.spbu.ruОтзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул., д. 1, ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.232.33 А.М. Поляничко.Автореферат разослан “”2018 г.Ученый секретарь Совета Д 212.232.33,кандидат физико-математических наук, доцентПоляничко А.М.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

В настоящее время продолжается поиск и создание новых типов устройств отображения информации на основе ячеек жидких кристаллов (ЖК). Важную роль для функционирования таких устройств играет эффект молекулярной переориентации ЖК под воздействием внешнего магнитного или электрическогополей. Этот эффект называется переходом Фредерикса. Для однородных ячеек нематических жидких кристаллов (НЖК) эффект имеет пороговый характер. Существует некоторое значение поля, ниже которого ориентация молекул остается не измененной. Выше этого значения ориентация постепенно изменяется с дальнейшим увеличением поля. ЭффектФредерикса тщательно изучался для различных геометрий ячеек и материалов. Особенноподробно этот эффект изучался в НЖК, но ряд работ посвящен также и холестерическимжидким кристаллам (ХЖК), для которых картина становится сложнее в связи с киральной структурой вещества.

Изменение ориентации директора от слоя к слою приводит кналичию неоднородного распределения электрического поля внутри ЖК. Поэтому изучение распределения директора внутри ячейки играет важную роль при описании переходаФредерикса.Как правило конфигурацию вектора директора n определяют, решая систему уравнений Эйлера-Лагранжа.

Если в системе имеется фазовый переход первого рода, то в уравнениях Эйлера-Лагранжа возникают точки бифуркаций. В случае же фазового переходавторого рода учет неоднородности электрического поля приводит к тому, что эти уравнения становятся интегро-дифференциальными. Поэтому для нахождения распределениядиректора вместо численного решения уравнений Эйлера-Лагранжа в работе использованметод прямой минимизации функционала свободной энергиии ЖК. Обратим внимание,что решая уравнения Эйлера-Лагранжа, получают экстремумы, и требуется дополнительный анализ для определения минимумов энергии, а в случае прямой минимизации этогоне требуется.При помещении ЖК между двумя тонкими проводящими плоскостями, на которыеподается напряжение, эффект переориентации можно изучать, измеряя емкость такогоконденсатора. Угол наклона ЖК на границе ячейки играет важную роль в характеристике и работе ЖК-дисплеев.

Например, в ячейке нематика, подверженного деформациикручения, приготовленной с малым отклонением директора от плоскости границы, привключении внешнего электрического поля могут возникать различные нежелательныеэффекты рассеяния света, вызванные формированием инверсных стенок, схожих с Блоховскими стенками или стенками Нееля в ферромагнетиках. Для оптимизации качестваработы ЖК-ячеек необходимы способы точного определения угла наклона.

Для решенияэтой задачи можно использовать в том числе емкостной метод исследования таких систем.На сегодняшний день этот метод активно используется для экспериментального исследования диэлектрических и магнитооптических свойств НЖК, допированных магнитныминаночастицами.Также в связи с широким практическим применением ЖК, изучение их оптических4свойств и поведения во внешних полях вызывает большой интерес. Это связано с простотой управления оптическими свойствами тонких слоев ЖК с помощью электрическогополя: под действием электрического поля происходит переориентация директора ЖК,что позволяет регулировать интенсивность проходящего через слой ЖК света.Уникальные электрооптические свойства ЖК используются в дисплейной технике, системах передачи информации и в разнообразных оптических устройствах. На основе ЖКсоздают электрооптические модуляторы, индикаторы для различных диапазонов температур, биосенсоры, записывают голографические решетки и динамические голограммы.ЖК-ячейки представляют собой достаточно сложные системы.

Для описания поведения ЖК необходимо знать такие параметры, как модули Франка, диэлектрические проницаемости, энергии сцепления ЖК с подложкой. Задание ориентации молекул ЖК награницах ячейки влияет на распределение директора в объеме, что также определяет оптические характеристики ячейки. Изучение различных геометрий ячеек и сравнение иххарактеристик представляет большой интерес с точки зрения определения оптимальныхсвойств ячеек для различных приложений.Сложность описания ЖК систем во внешних полях вызвана тем, что распределениедиректора и, следовательно, оптические характеристики не постоянны, а меняются потолщине образца. Кроме того, присутствие оптической анизотропии приводит к тензорному характеру задачи.

Расчет интенсивностей и изучение траекторий лучей, проходящихчерез такие системы, дает возможность исследовать изменение локальной структуры ЖКв зависимости от приложенного внешнего поля.Цель работы. Диссертационная работа посвящена изучению структуры и электрооптических свойств ЖК-ячеек с неоднородным распределением директора. Целью исследования было развить метод расчета конфигурации директора для широкого класса ячеек иисследовать электрооптические свойства таких ячеек. В работе предложенный метод применен к двум типам ячеек: планарной 90∘ ячейке ХЖК и гомеопланарной ячейке НЖК.В этих ячейках проведено детальное сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:∙ Изучить переход Фредерикса во внешнем электрическом поле с помощью прямойминимизации полной свободной энергии системы.∙ Провести оценку величины энергии сцепления на грани с планарной ориентациейдиректора в гомеопланарной ячейке НЖК.∙ Теоретически исследовать распространение света в планарной 90∘ ячейке ХЖК вовнешнем электрическом поле выше порога Фредерикса в приближении геометрической оптики.∙ В борновском приближении рассчитать коэффициент экстинкции необыкновенноголуча и интенсивность прошедшего сквозь ячейку света.Научная новизна.

В настоящей работе получены следующие результаты:51. Методом прямой минимизации выполнены расчеты конфигураций директора в присутствии внешнего электрического поля в плоскопараллельных ЖК-ячейках: планарной 90∘ ячейке ХЖК и гомеопланарной ячейке НЖК.2. Получено хорошее согласие результатов численных расчетов емкости указанных ячеек с результатами экспериментов.3. Предложен метод расчета конфигураций директора в плоскопараллельных ячейкахнематических и геликоидальных ЖК в случае неоднородности сразу в двух пространственных измерениях.4. Выполнены численные расчеты и проведено сравнение с данными экспериментов дляпредельного угла пропускания ячеек в зависимости от приложенного напряжениядля планарной 90∘ ячейки ХЖК.5.

Рассчитаны зависимости интенсивности прошедшего сквозь твист-ячейку света отприложенного к ячейке напряжения при фиксированном угле падения света. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.Научная и практическая значимость. Предложенный метод расчета может бытьиспользован для определения одной из характеристик ЖК-ячейки, таких как модульФранка, диэлектрическая проницаемость, энергия сцепления с подложкой. Если один изэтих параметров неизвестен, то, варьируя его, можно добиться наилучшего совпадениярезультатов расчета с экспериментальными данными.