Диэлектрическая Деформация нематических кристаллов

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО ФИЗИКЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Часть 1

Иваново 1980

Введение.

Физика жидких кристаллов в настоящее время является быстро растущей областью знания. Применение жидких кристаллов в устройствах отображения информации, оптоэлектронике, и устройствах визуализации инфракрасного и СВЧ—излучения послужило мощным стимулом для научных и технологических исследований. Многочисленные конференции и симпозиумы по проблеме мезоморфного состояния показали необходимость подготовки специалистов в этой области. Такая подготовка включает в себя курсы лекция и лабораторный практикум по жидким кристаллам.

Являясь частью кристаллофизики, физика жидких кристаллов обладает специфическими чертами, которые обусловлены уникальным соединением свойств жидкости и кристалла в одном физическом объекте. Жидкие кристаллы представляют собой прекрасную модель для воспроизведения достаточно простых опытах некоторых свойств твёрдых монокристаллов (анизотропия электрических и оптических свойств, оптическая активность) и некоторых явлений в жидкости (электропроводность слабых электролитов, электроконвективное течение). Многофазные жидкие кристаллы наглядно демонстрируют изменение физических характеристик при фазовых переходах.

Таким образом, жидкие кристаллы вступают в процесс обучения и как удобный аналог твёрдых монокристаллов, и как особое состояние вещества с интересными и полезными свойствами. Часть экспериментов не требует сложной аппаратуры и доступна для постановки в средней школе и техникуме при изучении отдельных вопросов школьной программы. Такой двойственный подход обусловлен спецификой обучения в университете, где готовят как физиков-исследователей, так и преподавателей физики.

Практикум по физике жидких кристаллов ставит перед собой задачу познакомить студентов с жидкокристаллическими веществами, продемонстрировать основные эффекты, находящие практическое применение, научить некоторым экспериментальным методикам, применяемым в кристаллофизике. Он является продолжением курсов “Кристаллография и кристаллофизика” и “Физика жидких кристаллов”.

Работа I

Диэлектрическая Деформация нематических кристаллов

Среди большого числа электрооптических эффектов, наблюдаемых в жидких кристаллах, важное место занимает индуцированное электрическим полем двулучепреломление образца. Двулучепреломление изменяется вследствие деформации ориентации нематического образца.

Молекулы вещества с отрицательной диэлектрической анизотропией ε _а стремятся расположить свои длинные оси перпендикулярно приложенному полю Е. Если первоначально кристалл ориентирован гомеотропно (т.е. молекулы перпендикулярны стенкам ячейки), то возникает деформация ориентации, показана на рисунке 1. Диэлектрический момент сил m_d, обусловленный сцеплением молекул со стёклами ячейки, препятствует этому от стенок, т.е. в центре ячейки.

Оценки пороговое напряжение V_п начала диэлектрической деформации образца. Диэлектрический момент m_p~ε _аθ E². Упругий момент, m_d~К₃₃θ π ²d^-2. Физический смысл этих выражений достаточно прост. m_p тем более, чем больше суммарный дипольный момент молекулы, т.е. чем больше |ε _а|=|ε _{׀ ׀} -ε _┴ |. Энергия электрического поля ~Е, а именно она определяет силы, действующие в поле. Упругий момент m_d прямо пропорционален деформации (углу θ), упругому модулю (К в нашем случае), и тем больше, чем меньше размеры деформации (~π /d).

Условие порога деформации m_p≥ m_d, отсюда ε _аθ E²= К₃₃θ π ²d^-2 или Е_пd²= V = π ² К₃₃/ε _а (система СГСЕ).Более точный расчёт даёт аналогичную формулу

.

В системе СИ

.

В результате переориентации однородный гомеотропный образец разделяется на отдельные участки, в которых молекулы имеют одинаковый азимутальный угол, в плоскости отекла ячейки. Такие участки имеют различные цвета интерференции, связанные о суммарным двулучепреломлением этого участка, и различные интенсивности пропущенного света, связанные с углом между проекцией осей молекул и поляроидами.

В соответствии с формулой пропускания интенсивность проходящего света равна .Здесь φ -азимутальный угол в отдельном ориентированном участке, -постоянное значение, усреднённое по всей подачи светового пучка, δ -разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами после выхода из кристалла. При Е=0, δ =0 и У=0 в скрещенных поляроидах. С ростом поля растёт , где ∆ n- среднее по слою двулучепреломление.

Если ∆ n< < n, то ∆ n≈ (n_{׀ ׀} -n_┴ )sin²θ, где θ -средний по слою угол наклона молекул, n_{׀ ׀} и n_┴ - показатели преломления, измеренные в ориентированном монокристалле вдоль и поперёк длинной оси (или директора n).

Величина . Очевидно, что в случаи δ =2π S, (где S=1, 2, 3, …) на кривой пропускания I(δ) будет минимум. По мере роста напряжения V и увеличения угла переориентации θ, кривая I(δ) покажет ряд максимумов (рис.2). В минимумах:

.

В максимумах:

Таким образом, измеряя V в точках минимума и максимума осциллирующей кривой (У), можно определить ряд точек зависимости среднего по слою угла наклона молекул θ от напряжения М.

Целью работы является изучение процесса диэлектрической деформации гомеотропного образца МББА. Кривая светопропускания измеряется с помощью фотодетектора, насаженного на тубус микроскопа. Напряжение на образец подаётся с генератораГ3-33. Также проводится визуальное наблюдение процесса индуцированного двулучепреломления. Толщина образца 25 мак. Используется синий светофильтр. Используются табличные данные для МББА и рассматриваются углы θ (S) в максимумах и минимумах. По графику У(V) определяют зависимость θ (V) и заносят её в таблицу.

Рис.1 возникновение диэлектрической деформации (ε _а< 0, гомеотропическая текстура).Ячейка из состояния погасания переходит в состояние светопропускания между скрещенными поляроидами.

Рис.2. кривая светопропускания У(V). Отмечены значения δ /2 в максимумах и минимумах.

Выполнение работы:

1.Поместить ячейку с образцом на столик поляризационного микроскопа.

2.Вывести в поле зрения участок кристалла, погашённый между скрещенными поляроидами.

3.Установить на генератор Г3-33 частоту 1000 Гц.

4.Увеличивая напряжение наблюдать изменение интерференционных цветов. Записать V_п.

5.Установить синий фильтр (λ ≈ 4300 А).

6.Надеть на окуляр насадку с фотосопротивлением (ФС).

7.Выставить на Г3-33 пределы шкалы напряжений IOB.

8.Изменяя напряжение через 0.2 В измерить зависимость интенсивности проходящего света У(V). Интенсивность измеряется в единицах шкалы микрометра М95 (мкА).каждая точка снимается только после установления сигнала (~1 мин.).

9.Построить зависимость У(V).

10.Используя табличные данные для МББД, а также d=25мкм, λ =0, 43 нкм, определить V_п и углы поворота θ в максимумах и минимумах кривой светопропускания.

11.Построить зависимость θ (V).

Вопросы:

1.Опишите картину деформации ориентации в образце МББА.

2.Нарисуйте кривую светопропускания в функции приложенного напряжения.

3.Запишите формулу светопропускания и объясните её особенности.

4.Расчитайте порог диэлектрической деформации гомеотропной текстуры.