belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 100
Текст из файла (страница 100)
Изменение ориентации Ь в нематическом жидком кристалле требует напряжения порядка одного вольта и мощностей порядка микроватт, что можно обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко используются в малогабаритных электронных часах, калькуляторах, индикаторах, в плоских экранах портативных телевизоров и компьютеров.
Для отображения цифровой информации в жидкокристаллических ячейках либо электроды выполняются в виде нужных цифр, либо нужная цифра воспроизводится путем «включения» определенной комбинации ячеек, выполненных в виде полосок. Если в нематике внешнее поле приводит к сравнительно простой переориентации молекул, то у холестерика наложение поля, перпендикулярного холестерической оси, приводит к увеличению шага спирали, угол поворота директора перестает быть линейной функцией координаты, а при достижении некоторого критического значения поля холестерическая спираль полностью раскручивается. Зависимость шага спирали холестерических кристаллов от температуры позволяет использовать пленки этих веществ для наблюдения распределения температуры на поверхности различных тел, при медицинской диагностике, визуализации теплового излучения. Наибольшее практическое значение имеет так называемый твист-эффект, представляющий собой все тот же переход Фредерикса, но в предварительно закрученной (твист-) структуре.
Жидкокристаллическая нематическая твист-ячейка была изобретена Шнадтом и Гельфричем в 1970 г. Схема такой ячейки приведена на рис. 7.10: ЬС - - жидкий кристалл, Р1, Рз -- поляроиды, Е1, Ех — прозрачные электроды, 1 — экран, С стекло. Твист-струк- 7Я. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ 367 тура располагается между двумя скрещенными поляроидами.
Без поля (а) молекулы образуют твист-структуру которая вращает поляризацию света так, что свет проходит через анализатор. В электрическом поле (б) молекулы выстраинаются параллельно полю, поляризация пе вращается и свет блокируется анализатором. В отсутствие поля свет, предварительно поляризованный с помощью, напримор, пленочного поляроида, проходит сквозь твист-структуру, которая поворачивает плоскость поляризации на угол х/2. Поэтому свет проходит через всю ячейку. Но если к прозрачным электродам, нанесенным на стекла, приложить электрическое поле, то в случае е ) О директор переориентируется перпендикулярно стеклам, и ячейка теряет способность поворачивать плоскость поляризации света. Тем самым ячейка перестает пропускать свет.
Этот эффект изменения оптического пропускания под действием электрического поля применяют в черно-белых индикаторах информации. ф~ь, ФЮ Е, Е., й Рвс. 7.10 Хорошие оптические свойства твист-ячейки делает ее даже сегодня наилучшей среди дисплеев. Недосгаток первых дисплеев — ограниченное число символов, но сейчас уже изготовляются дисплеи, которые имеют более полумиллиона изображающих точек.
Репюна, и проблема электроники, управляющей таким громадным числом отображающих точек. Для цветных жидкокристаллических устройств используется эффект «гость-хозяин») эффект переориентации молекул красителя («гость»), введенных в жидкокристаллическую матрицу («хозяин»), одновременно с переориентацией самой матрицы. Красители, ориентированные жидким кристаллом, обладают сильным дихроизмом, зависящим от внешнего поля (анализатор в этом случае не нужен).
Действию поля подвержена жидкокристаллическая матрица («хозяин»), а назначение красителя («гостя») состоит в визуализации эффекта. Молекулы красителя обычно имеют вытянутую форму (они изоморфны молекулам жидкого кристалла). При наложении на ячейку элоктрического напряжения, превышающего пороговое, жидкий кристалл переориентируется директором вдоль поля, увлекая за собой молекулы красителя. При этом оптические плотности для света любой 1Л.
7. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ поляризации становятся одинаковыми, а без поля оптическая плотность ячейки различна для поляризации света Е ~~ Ь и Е 1 Ь. Жидкие кристаллы с успехом применяются и для отображения информации в реальном масштабе времени, например, в плоских экранах портативных телевизоров. Уже промышленностью выпускаются телевизионные цветные жидкокристаллические экраны, т.
е. скорость их переключения достаточна для отображения динамического ТВ-изображения. В качестве проводящих покрытий чаще всего используются двуокись олова (Бп02) или окись индия (1пзОз). Задание определенной ориентации молекул жидких кристаллов на ограничивающих стенках электрооптической ячейки получают часто просто механическим натиранием поверхности стекла бумагой или тканью. Натирание создает микрорельеф на электродном покрытии или стекле в видс.
гребней и канавок, способствующих ориентации молекул вдоль этих образований. 7.5. Упругое рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов в кристаллах Структуру кристаллов исследуют, используя дифракцию фотонов, нейтронов и, реже, электронов. Дифракция волн дс Бройля, соответствующих нейтронам и электронам, на атомах кристалла носит точно такой же характер, что и дифракция рентгеновских лучей.
Для того чтобы падающее излучение «почувствовало» периодическую структуру кристалла, его длина волны должна быть сравнима с постоянной решетки, т. е. быть порядка 1А = 10 'в м. При этом кристалл представляет собой для излучения трехмерную дифракциопную решетку и дифракция падающих частиц проявляется в виде максимумов интенсивности с резкой зависимостью от длины волны и угла рассеяния. Рассмотрим, каким требованиям должны удовлетворять перечисленные нами 1астицы. Фоптоньс. Длина волны Л =1 А соответствует фотону с энергией Е = 6и = 6 — б.
10 2. 10 ' Дж 10 кэВ. с з44 10 10- 7в Такое излучение легко получить как за счет торможения быстрых электронов в металлических мишенях (тормозное излучение), так и при неупругом их столкновении с внутренними электронами атомов мишени (характеристическое и злу ч ение) . Нейтроны. Длина волны де Бройля нейтрона равна 6 6 Л= — = Р У72М„Е ' откуда следует, что энергия нейтрона, соответствующая 1А, равна 6" 44. 10 вв Я— 2МЛ' 2 17 Рй " 10 Нейтроны такой энергии называются тепловыми, так как температуре 300 К соответствует энергия 0,025 эВ. Именно такие нейтроны имеются внутри болыпипства ядерных реакторов, и именно поэтому строятся специальные 7.а УНРуГОе РАссеяние РентГенОВских лучеЙ исследовательские ядерные реакторы - поставщики тепловых нейтронов для различных нейтронных исследований.
Эяектпроны. Для изучения кристаллической структуры с помощью рассеяния электронов их энергия должна быть от десятков до сотен электрон- вольт. С помощью электронов можно увидеть структуру пленок либо приповерхностных слоев толщиной порядка 1 нм. Толщина исследуемого слоя определяется 7шубиной проникновения электронов такой энергии в кристалл без потери энергии. Основой для описания дифракционного рассеяния является условие Брэгга - Вульфа (7.5) 2д ейпО = пЛ, где.
и = 1, 2, 3,... целое число, называемое порядок инпьерференции, Л длина волны используемого излучения, д расстояние между соседними плоскостями, О угол скольжения падающей и рассеянной волн относите.льна этих плоскостей, как это показано на рис. 7.11. Следует подчеркнуть, что условие существования брэгговских максимумов фактически соответствует зеркальному отражению падающих лучей относительно семейства кристаллических плоскостей.
Кристаллографические плоскости АА, ВВ или СС играют роль трехмерных дифракционных решеток. На рисунке показано брэгговское отражение плоскостями АА. Таких семейств параллельных плоскостей в кристалле можно выбрать очень много, как это видно из рис. 7.11, однако в силу того, что плотность атомов в плоскостях по мере уменьшения расстояния между ними уменьшается, то фактически семейства с д « а (расстояния между атомами решетки) не дают заметных дифракционных максимумов. Рис.
7.12 Рис. 7.11 Условие Брэгга — Вульфа (7.5) может быть записано в другой форме. Падающая волна характеризуется волновым вектором 1г, а рассеянная вектором к', как это показано на диаграмме рассеяния на рис. 7.12., причем, т. к. рассеяние является упругим, то )Ц = )1г'(. Вектор рассеяния с1, соединяющий концы векторов 1г и 1г', перпендикулярен отражающей плоскости и равен о = )с1! = 2йзшО = 4квшО/Л = 772к/д.
(7.6) Векторная диаграмма для 1г и 1г' приобретает вид закона сохранения импульса: 51г' = Юг+ Р,„„„, (7.7) ГЛ. 7. КРИСТЛЛЛ1ЛЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 370 где импульс, переданный кристаллической решетке, 2хпй Ркрнст д (7.8) Импульс Ркр„„воспринимается всем кристаллом как единым целым (естественно Р = — 601). При этом кристалл получает энергию р2 ля = (7.9) 2М где М масса кристалла. Ввиду огромной величины М, величина ЬЕ оказывается много меньше начальной энергии кванта, и потому энергия кванта практически не изменяется, т.
е. рассеяние является упругим, как мы и предполагали. Поэтому и называется брэгговское рассеяние упругим. 3,5 4,О 4.5 Расстояние между отражаю1пими плоскостями Рис. 7.13 В отличие от рентгеновских лучей, нейтроны обладают магнитным моментом, что даст в руки исследователей уникальную возможность изучения не только структуры кристалла, по и пространственного расположения магнитных моментов атомов. Для иллюстрации на рис. 7.13 приведена зависимость интенсивности упругого рассеяния нейтронов различной энергии от соединения ВЬМпрз. Резкое увеличение интенсивности отражения (пик) возникает при условии Брегга — Вульфа (7.5) Указанное соединение яад1яется антиферромагнетиком при температурах, ниже 8,9 К. На рис.
7.13 приведены две пейтронограммы упругого рассеяния нейтронов на монокристаллах ВЬМпВгз при температурах 12 и 5 К. Появление новых пиков при температуре 5 К связано с тем, что при температуре 8,7 К происходит аптиферро- 7Я. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ 371 магнитное упорядочение магнитных моментов ионов Мп. Магнитные пики обозначены буквой М. Бурное развитие ускорительной техники за последние десятилетия привело к созданию специализированных установок, предназначенных для получения синхротронного излучения мощных пучков мопохроматических фотонов, используемых для исследований в разли шых научных и прикладных областях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
