.

Дослідження холестерико-нематичного переходу в індукованих холестериках для модуляції лазерного випромінювання: Автореф. дис… канд. фіз-мат. наук /

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2024
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

Семенова Юлія Валентинівна

УДК 532.738; 548-14

ДОСЛІДЖЕННЯ ХОЛЕСТЕРИКО-НЕМАТИЧНОГО ПЕРЕХОДУ
В ІНДУКОВАНИХ ХОЛЕСТЕРИКАХ
ДЛЯ МОДУЛЯЦІЇ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Спеціальність 01.04.15 -Фізика молекулярних і рідких кристалів

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук

Київ – 1998

Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі електронних приладів Державного університету «Львівська політехніка».

Науковий керівник: – кандидат фізико-математичних наук,
МИКИТЮК Зеновій Матвійович,
Державний університет «Львівська
політехніка», доцент кафедри
електронних приладів.

Офіційні опоненти: – доктор фізико- математичних наук, професор,
КЛІМУШЕВА Гертруда Василівна,
Інститут фізики НАН України,
провідний науковий співробітник;

– доктор фізико- математичних наук, професор
ГРИЦЕНКО Микола Іванович,
Чернігівський державний педагогічний інститут
ім. Т.Г.Шевченка, завідувач кафедри.

Провідна організація: – Інститут фізики напівпровідників НАН України, спеціальне конструкторське технологічне бюро.

Захист дисертації відбудеться « 11 » лютого 1999 р. о 1430 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України (Київ-22, проспект Науки, 46).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий 6 січня 1998 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат фіз.-мат. наук Іщук В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рідкі кристали (РК) широко застосовуються в пристроях обробки та відображення інформації як оптично активне середовище. Їх унікальні електрооптичні властивості дозволяють створювати конструктивно прості, економічні, мініатюрні пристрої, сумісні з інтегральною схемотехнікою. На основі електрооптичних ефектів в РК створено індикатори, модулятори, дефлектори випромінювання, рідкокристалічні дисплеї, оптичні процесори та інші. Відомо багато електрооптичних ефектів в РК, серед яких найбільш широко використовуються динамічне розсіювання світла, твіст- та супертвіст-ефекти, ефект «гість-господар» та інші. Перспективним з точки зору використання в пристроях обробки та відображення інформації є ефект холестерико-нематичного переходу (ХНП) в індукованих холестериках. Ефект ХНП полягає в переході рідкого кристалу від сильно розсіюючої конфокальної текстури холестерика до прозорого гомеотропного нематика під дією електричного поля. При цьому модифікацією властивостей РК-матеріалу можливо задавати необхідні електрооптичні параметри.
В даний час поряд з розвитком техніки на електрооптичних ефектах в рідких кристалах інтенсивно розвивається лазерна техніка, тому стала актуальною задача створення ефективних електрооптичних модуляторів лазерного випромінювання на основі РК. В цьому напрямку перспективним є застосування холестерико- нематичного переходу в індукованих холестериках. Однак на сьогодні не досліджено вплив фізичних параметрів індукованих холестериків на модуляційні характеристики ефекту ХНП. Тому, проведення досліджень індукованих холестериків та встановлення взаємозв’язку їх фізичних параметрів з модуляційними характеристиками ХНП для лазерного випромінювання є актуальним. Вирішенню цієї проблеми і присвячена дана робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках Держбюджетної науково- дослідної теми «Дослідження та розробка нових матеріалів та технологій елементів електронної техніки» (номер державної реєстрації 01964000169 1997 р.).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає у встановленні взаємозв’язку між електрооптичними, часовими та модуляційними характеристиками холестерико-нематичного переходу і фізичними параметрами індукованих холестериків для створення на їх основі ефективних модуляторів лазерного випромінювання. Основними завданнями досліджень, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети, були:
– теоретичне та експериментальне дослідження холестерико- нематичного переходу в індукованих холестериках з метою його застосування для модуляції лазерного випромінювання;
– встановлення кореляції між електрооптичними, часовими та модуляційними харктеристиками холестерико- нематичного переходу та властивостями індукованих холестериків;
– визначення впливу температури та параметрів керуючого сигналу на модуляційні характеристики холестерико- нематичного переходу.

Методи досліджень. Для досліджень електрооптичних, часових та модуляційних характеристик ХНП та фізичних параметрів індукованих холестериків було використано стандартні електрооптичні методики з врахуванням особливостей досліджень розсіюючих ефектів. Додатково проводились структурні дослідження індукованих холестериків методом малокутового рентгенівського розсіювання за допомогою установки КРМ-1 та методом ІЧ- спектроскопії на спектрофотометрі “SpecordM-80”. При обробці даних експериментальних досліджень в дисертаційній роботі використовувалися методи нелінійної аппроксимації, реалізовані в спеціалізованому програмному пакеті NUMERI (Numeri- Software ТУ Мюнхен); оцінка достовірності результатів проводилась з використанням статистичного розподілу Ст’юдента для малих виборок; розрахунок інтервалів довіри технічних вимірювань проводився за допомогою програмного пакету GRAFER.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:
1. Встановлено, що в сумішах сильно та слабополярних нематичних сполук існує критична концентрація сильнополярної компоненти, при якій спостерігається зростання ступеня структурної впорядкованості суміші, що приводить до критичного росту констант пружності матеріалу, спадання закручуючої здатності домішки та величин порогових полів ХНП.
2. Визначено вплив концентрації сильнополярної компоненти нематичної матриці та концентрації оптично активної домішки (ОАД) в суміші на контраст та модуляційні характеристики ХНП. Показано, що збільшення вмісту сильнополярної компоненти в нематичній матриці та зменшення концентрації ОАД викликають спадання контрасту, глибини та граничної частоти модуляції.
3. Встановлено взаємозв’язок між параметрами керуючого імпульсу та граничною частотою і глибиною модуляції, а також умови температурної стабільності робочих характеристик ХНП.

Практична цінність роботи полягає в наступному: встановлений взаємоз’язок між фізичними властивостями нематико- холестеричних сумішей та їх частотно- модуляційними характеристиками в широкому температурному інтервалі, що дозволило розробити рекомендації для створення нових перспективних РК матеріалів для ефективних низькочастотних модуляторів лазерного випромінювання видимого діапазону зі стабільними параметрами в широкому інтервалі температур.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні та практичні дослідження, наведені в даній роботі виконані автором особисто або за його безпосередньою участю. Автором обгрунтовано механізм розсіювання лазерного випромінювання видимого діапазону спектру конфокальною текстурою індукованого холестерика в тонких шарах рідкого кристалу [10,15]. Автором особисто досліджено характер часових, модуляційних характеристик та залежностей критичних напруг ХНП в індукованих холестериках з різною структурою [3,6,7]. Встановлено взаємозв’язок між фізичними параметрами індукованих холестериків та модуляційними характеристиками ефекту ХНП [7,10].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на:
-Міжнародних наукових конференціях по рідких кристалах «15th, 16th International LC Conference» (Угорщина та США, 1994, 1996р.);
-Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю з дня народження Ів. Пулюя (Львів, Україна, 1995р);
-Міжнародних наукових симпозіумах по електронним зображенням «8th, 9th IS & T/SPIE’s Simposium on Electronic Imaging» (Сан Хосе, США, 1995, 1997 р.);
-Міжнародній науковій конференції «IC&T 49th Annual Conference» (Сан Хосе, Каліфорнія, США, 1996р.);
-Міжнародній науковій конференції «15th General Conference of the Condenced Matter Division» (Італія, 1996р.);
-Регіональній науковій конференції по електронних технологіях «VI Konferencji Naukowy “Technologia Elektronowa” ELTE’97» (Криниця, Польща, 1997 р.);
-Міжнародному Симпозіумі по дисплейних технологіях “Advanced Display Technologies” (Партеніт, Україна, 1997 р.); -Міжнародному Симпозіумі по технологіях мікроелектроніки “Microelectronics Technologies and Microsystems” (Жешув, Польща, 1997р.)
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури. Обсяг дисертації 144 сторінки машинописного тексту, вона містить 64 рисунка і 5 таблиць. Список використаних джерел містить 92 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета та задачі досліджень, наведена наукова новизна дисертації та її практична цінність. Представлені відомості про апробацію роботи та публікації.
У першому розділі проаналізовано сучасний стан досліджень механізмів утворення індукованої спіральної структури, фізичних процесів деформації холестеричної спіралі під дією електричного поля та розсіювання світла індукованими холестериками.
Показано, що для опису результатів досліджень індукованої холестеричної мезофази відсутня загальна теорія спірального закручування, тобто не існує надійного і загальноприйнятого методу передбачення величини p або dp/dT в холестеричній системі, а також передбачення впливу молекулярної структури компонентів суміші на величину та знак закручуючої здатності домішки, без безпосереднього вимірювання цих величин.
Найбільш адекватно процес холестерико-нематичного переходу описує теоретична модель, що базується на визначенні порогових полів ХНП з вільних енергій різних станів директора в процесі переходу, оскільки вона дозволяє просто та задовільно визначити вплив поверхні на порогові поля ХНП.
Проведений аналіз досліджень світлорозсіювання в холестеричних РК показав, що світлорозсіяння РК залежить від фізичних властивостей рідкого кристалу, методики вимірювання та конструктивних параметрів РК-комірки.
Сформульовані задачі дисертаційної роботи.
У другому розділі наведено основні фізико-хімічні параметри рідких кристалів та їх сумішей, що використані як об’єкти досліджень. Обговорено експериментальні методики, що застосовуються для досліджень електрооптичних, часових, частотно- модуляційних та діелектричних властивостей індукованих холестериків та параметрів холестерико- нематичного переходу.
Об’єктами для досліджень було вибрано індуковані холестеричні мезофази з >0, в яких нематичними матрицями були суміші сильнополярного ціанобіфенілу (5ЦБ), що характеризується високим значенням діелектричної анізотропії, зі слабополярним ЖК-440 (азоксисполуки), який володіє широким температурним інтервалом існування мезофази та низькою вязкістю. Як оптично активні домішки для створення надмолекулярної спіральної структури використовувались члени гомологічного ряду ефірів одноосновних карбонових кислот.
У третьому розділі викладено результати експериментальних досліджень властивостей індукованих холестеричних систем на основі нематичних матриць, що складаються з сумішей сильно та слабополярних сполук в різних пропорціях. Наведено результати досліджень структури немато- холестеричних сумішей та порогових електричних полів холестерико- нематичного переходу. Проаналізовано вплив температури та поверхневих ефектів на фізичні параметри індукованих холестериків та критичні поля ХНП. Вдосконалено методику визначення констант пружності РК на базі обраного теоретичного підходу з застосуванням методів нелінійної аппроксимації.
Експериментальні дослідження діелектричної анізотропії та температур фазових переходів нематичних матриць з різним процентним вмістом вихідних компонентів показали, що згідно принципу адитивності, зміна процентного співвідношення між вихідними компонентами в нематичній матриці дозволяє плавно змінювати температурний діапазон існування мезофази та величину діелектричної анізотропії в межах від -0.4 до +13.1. Введення в нематичну матрицю малої (до 2 вагових %) кількості ефіру холестерину приводить до утворення спіральної структури, причому на механізм утворення надмолекулярної спіральної структури впливають як особливості взаємодії між нематиком та домішкою на молекулярному рівні, так і структура нематичної матриці.
Проведені дослідження показали, що ріст впорядкованості нематичної матриці при збільшенні вмісту сильнополярної компоненти приводить до спадання закручуючої здатності ефіру холестерину, а при зменшенні порядкового номера ефіру холестерину закручуюча здатність зростає. Дослідження температурної залежності величини кроку спіралі свідчать про незначне зменшення або зростання кроку з ростом температури. На основі експериментальних досліджень температурних залежностей діелектричної анізотропії синтезованих нематичних матриць, величини кроку індукованої спіралі та критичних електричних полів ХНП було визначено температурні залежності констант пружності Франка (K22,K33) (рис.1) та величини поверхневих енергій різних станів РК.

K22*10-12, H

Рис.1. Температурні залежності величини константи пружності К22 для сумішей з холестерилпропіонатом на основі різних нематичних матриць: S-1 – 20% 5ЦБ; S-2 – 40% 5ЦБ; S-3 – 60% 5ЦБ; S-4 – 80% 5ЦБ.

Ріст впорядкованості нематичної матриці приводить до збільшення величин констант пружності, причому для нематичної матриці, що містить 80% сильнополярної компоненти (5ЦБ), спостерігається критичний ріст величин K22 та K33. В сумішах на основі одної нематичної матриці з домішками різних ефірів холестерину величини констант пружності незначно змінюються, спостерігається тенденція до зростання констант пружності зі збільшенням порядкового номера гомолога ефіру холестерину. Розглядаючи температурні залежності констант пружності для різних сумішей, слід відзначити зростання крутизни залежностей при збільшенні ступеня структурної впорядкованості нематичної матриці.
Досліджувались концентраційні та температурні залежності критичних напруг прямого (Ucn) та зворотнього (Unc) ХНП. Розрахунок величин констант пружності Франка та поверхневих енергій різних станів рідкого кристалу в процесі ХНП для різних сумішей дав можливість проаналізувати, в рамках теоретичного підходу, що використовувався в роботі, вплив поверхневих умов на величини порогових полів ХНП.
При використанні як ОАД певного ефіру холестерину, збільшення концентрації сильнополярної компоненти в нематичній матриці обумовлює спадання його закручуючої здатності з одного боку, та зменшення впливу поверхневих ефектів на величини порогових полів – з другого. Внаслідок цього при збільшенні концентрації ОАД в суміші на основі нематичної матриці з високим ступенем структурного впорядкування, критичні поля ХНП зростають швидше, ніж в сумішах з менш впорядкованою структурою (рис.2). При цьому, при однакових величинах кроку спіральної структури, величини критичних полів будуть вищими для сумішей з більш впорядкованою структурою (з більшими константами пружності), якщо переважає вплив на характеристики ХНП фізичних параметрів суміші, якщо ж крок спіралі великий, і переважає вплив поверхневих ефектів, величини критичних полів ХНП є вищими для менш впорядкованих сумішей. Причому, ріст концентрації сильнополярної компоненти в нематичній матриці обумовлює зменшення ділянки впливу поверхневих ефектів на шкалі d/P0. Оскільки концентрація ОАД в сумішах не перевищувала 2 ваг.%, а закручуюча здатність домішки спадає з ростом концентрації сильнополярної компоненти в матриці, високі величини кроку спіральної структури обумовлюють визначальний вплив поверхневих ефектів, і в цьому діапазоні величин кроків, критичні поля є нижчими в порівнянні з менш впорядкованими сумішами.
Ucn, B

Рис.2. Залежності величини критичної напруги прямого ХНП від конструктивного параметру d/Po для сумішей з холестерилпропіонатом на основі різних нематичних матриць: S-1 – 20% 5ЦБ; S-2 – 40% 5ЦБ; S-4 – 80% 5ЦБ.

Аналіз результатів досліджень структури індукованих холестериків методами малокутового рентгенівського розсіювання та ІЧ-спектроскопії показав, що основною структурною одиницею суміші з 80% сильнополярної компоненти є димери ціанопохідної і характер міжмолекулярної взаємодії не змінюється, окремі молекули азоксисполук або пара молекул «вбудовуються» у вихідну шарову структуру ціанопохідної. При цьому, асоціати нового типу, наприклад, з молекул сильно та слабополярної компоненти не утворюються. При введенні ефірів холестерину зростає густина пакування молекул. При цьому суттєвих змін в характері міжмолекулярних взаємодій не відбувається.
У четвертому розділі викладено результати досліджень контрасту, часових та модуляційних характеристик немато- холестеричних сумішей (НХС), а також проведено аналіз впливу на глибину модуляції фізичних параметрів сумішей, температури та характеристик керуючого сигналу. Встановлено кореляції між фізичними параметрами НХС, електрооптичними, часовими характеристиками холестерико- нематичного переходу та їх модуляційними характеристиками.
Величина максимальної прозорості РК в процесі ХНП під дією електричного поля відповідає випадку проходження світла через РК в прозорому гомеотропному нематичному стані. Однак, величина інтенсивності розсіювання світла нематиком є незначною, і пропускання в прозорому стані комірок, працюючих на ефекті ХНП, визначається в основному поглинанням і відбиванням на струмопровідних шарах. Дослідження контрастного відношення для різних НХС показали, що збільшення концентрації домішки в суміші змінює форму вольт-контрастної характеристики (ВКХ) холестерико-нематичного переходу: зменшується величина інтенсивності світла, що пройшло через зразок у вихідному стані, а також величина мінімальної інтенсивності в процесі ХНП під дією прикладеного поля. Область зростання прозорості комірки, яка відповідає процесу руйнування холестеричної спіралі, зміщується в сторону вищих напруг внаслідок зростання порогового поля ХНП. Аналогічним чином змінюється форма ВКХ під час зворотнього ХНП (рис.3).

I, відн. од.

Рис.3. Вольт-контрастні характеристики ХНП для сумішей на основі нематичної матриці S-1 з домішками холестерилпропіонату: 1,2,3, – прямі переходи; 1′, 2′, 3′ – зворотні переходи; 1, 1′ – 0.63%; 2, 2′ – 0.96%; 3, 3′ – 1.24% ефіру.

При зміні концентрації сильнополярної компоненти в нематичній матриці форма ВКХ піддається більш суттєвим змінам. Збільшення концентрації сильнополярної компоненти викликає різке збільшення величини мінімальної прозорості РК, причому для нематичних матриць S-3 (60% 5ЦБ) та S-4 (80% 5ЦБ) та холестерилпропіонатом в якості ОАД, спостерігається відсутність на ВКХ ділянки, що відповідає текстурному переходу. Збільшення порядкового номера гомолога ефіру холестерину, що виступає як ОАД в сумішах на основі цих матриць, внаслідок зменшення величини d/P0, призводить до руйнування холестеричної структури стінками комірки, і зміни прозорості під дією поля не спостерігається.

Отже, характер залежності величини мінімальної інтен¬сивності світла, що пройшло через РК в процесі холестерико-нематичного переходу, від співвідношення d/P0 свідчить про переважання механізму розсіювання випромінювання видимого діапазону (=0.63 m) на неоднорідностях (доменах) конфокальної текстури НХС. При цьому, при однакових товщинах РК-шару, величина кроку спіральної структури P0 визначає розмір та концентрацію світлорозсіюючих елементів (доменів) в конфокальній текстурі. Таким чином, інтенсивність розсіювання збільшується зі зростанням об’ємної густини розсіювачів та ступеня розупорядкованості осей спіралей конфокальних доменів, що відповідає випадку великих d/P0. Відповідно, збільшення величини кроку обумовлює зменшення кількості доменів в об’ємі РК та зменшення хаотичності орієнтації оптичних осей внаслідок посилення впливу поверхневих ефектів. При достатньо високих величинах кроку (d/P0

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019