Электропроводность нематических кристаллов.

По характеру молекул жидкие кристаллы можно отнести к органическим жидкостям. Поэтому их электропроводность рассматривают обычно как электропроводность органических жидкостей со специфическим ориентационным порядком.

Хорошо очищенные органические жидкости (бензол, ацетон, углеводород) являются диэлектриками. Это означает, что в НИХ практически нет свободных носителей заряда. Технические вещества с маркировкой ЧДА (чистый для анализа) имеют сопротивление 10¹⁰-10¹² Ом см.Аналогичное сопротивление имеют жидкие кристаллы в нематической и холестерической фазах.

Собственная проводимость жидких диэлектриков связана с двумя

процессами. Электронная проводимость осуществляется путём переноса электронов от одной молекулы к другой, с небольшой задержкой у каждой молекулы (ловушечный механизм). Проводимость определяется также столкновениями возбуждённых молекул, которые создают при этом пару ионов.

В гораздо большей степени электропроводность определяется внешними факторами. К ним относятся: инжекция электронов из катода под действием сильного электрического поля; электрохимические реакции на электродах, создающие ионизированные молекулы, диссоциация молекул под действием сильного электрического поля, радтоктивного фона и г.п.

Наиболее важную роль играет диссоциация примесных молекул в растворе—электролите. Как нематическая фаза, так и изотропная фаза нематогенных веществ представляют собой слабые электролиты, т.е. растворители с малой диэлектрической проницаемостью ε (обычно ε ~5).

В соответствии с теорией электролитической диссоциации электропроводность слабых электролитов прямо пропорциональна корню из концентрации примеси: σ ~√ с. Такого рода зависимость была получена для ряда нематиков, в том числе и ПАА с ионными примесями. По определению плотность тока У=σ Е, где Е (напряжённость электрического поля). Подтверждением ионной природы носителей заряда в нематиках служит закон Вальдена: μ η =connst. Здесь μ - подвижность ионов, η - вязкость жидкости,

В то же время электропроводность, подвижность и вязкость анизотропных жидкостей также анизотропна. В нематических кристаллах это приводит к различию свойств при наложении электрического поля вдоль или перпендикулярно длинной оси молекул.

В простейшем случаи зависимость σ от температуры (Т⁰К) описывается формулой:

Здесь W — энергия активации одного из типов электропроводности. Её можно интерпретировать как величину энергетического барьера, который должен преодолеть носитель заряда для своего перемещения внутри вещества, Таким образом, чем больше W, тем труднее носителю заряда двигаться в кристалле, тем меньше электропроводность σ.

Одновременное существование разных механизмов электропроводности приводит к сложной функции σ (Т⁰).Однако на определённых интервалах температур часто преобладает один из типов электропроводности. Тогда на указанных участках зависимость lnσ (1/Т) является линейной.

lnσ =lnσ ₀-W(1/Т)/k

Тангенс угла наклона численно равен W/k, что позволяет рассчитать энергию активации W.

0становимся подробнее на вязкости жидкости, поскольку она играет решающую роль в ионной проводимости нематических кристаллов. Вязкость η определяет подвижность μ ионов и влияет на процессы диффузии и рекомбинации. Вязкость типичных нематиков ~I cантипуаза. Простейшая формула, описывающая вязкость имеет вид:

Здесь В=const, W_B-энергия активации вязкости.

Предположим, что молекулы находятся в некоторой потенциальной яме. Она отдельна от другой молекулы, или от другой потенциальной ямы (вакансии), энергетическим барьером. Чем выше барьер, тем труднее молекуле совершать перескок в новое состояние, тем больше энергии нужно на это затратить. Вероятность перехода равна ~ехр(-W/kТ). Здесь W-энергия, которую надо сообщить молекуле для перескока. Текучесть жидкости (η ^-1) будет тем дольше, чем больше вероятность перехода молекулы из одного положения в другое. Таким образом,

η ^-1~ехр(-W_В/kТ).

Здесь W_В- есть сумма энергии, необходимой для образования дырки-вакансии, и энергии, необходимой для перескока соседней молекулы в эту дырку.

Текучесть нематического ПАА зависит от его ориентации, т.е. от соотношения вектора скорости υ и директора n. Типичный график lg η ^-1(1/Т) показан на рис. I. Видно, что энергия активации постоянна внутри одной фазы при заданной ориентации. При движении перпендикулярно молекулы и вязкость, и её энергия активации W больше, чем при течении вдоль молекул. В неориентированном образце энергии активации для изотропной и нематической фаз очень близки.

Как известно σ =neμ, где е-заряд иона (электрона), n- число носителей в единице объёма, μ - подвижность носителей. Поскольку μ ~η ^-1, то σ ~η ^-1

σ ~ехр(-W_В/kТ).

Если n не зависит от Т, то энергии активации электропроводности и вязкости должны быть близкими, подтверждается экспериментально.

Для образца, ориентированного перпендикулярно полю, зависимость lg σ (1/Т) показана на рис.2. для неориентированного образца различие угла наклона lg σ (1/Т) мало заметно при переходе из нематической в изотропную фазу. В твёрдой фазе сопротивление образца намного выше, также кА и энергия активации.

Целью работы является изучение температурной зависимости электропроводности образца.

Образец ПЛА находится в твёрдом состоянии между двумя стёклами с электропроводящим покрытием. На стёклах имеются прорези, ограничивающие рабочую площадь электродов. Образец помещается в ячейку и зажимается винтами так, чтобы не был повреждён слой закристаллизовавшегося вещества. Ячейка вставляется в зажимы

и на её электродах крепятся контакты. Перед установкой ячейки и после не оценивается сопротивление образца с помощью авометра. В случае короткого замыкания (или отсутствия контакта со стеклами) необходимо ослабить винты зажимов (или проверить закрепление контактов).

Термокамера закрывается крышкой, на которой крепится обзорное стекло (перед измерением протереть, удаляя осадок испарившегося вещества).

Ячейка нагревается при подаче на обмотку нагревателя термокамеры напряжения (~30В) с ЛАТРа. Регулирование и установка требуемой температуры осуществляется регулятором Эра-М. Измерение Т⁰ производится термопарой медь-констант или непосредственно по шкале ЭРА-М. Сопротивление образца R (d=100мкм, S=100мм²) измеряется электронным омметром В7-26. температурный интервал между измерениями 2⁰С. Интервал измерений- от твёрдой фазы до изотропного состояния. Проверка состояния производится с помощью поляризационного микроскопа. Величина σ =d/RS, где R[Ом].

В ходе измерения строится таблица:

Для оценки энергии активации W и разделения различных типов электропроводности производится расчёт функции: lg σ (1/Т)

tgα = W•lge/k

По графику lgσ (T^-1) определяется энергия активации на различных участках. Величина k равна 1, 38•10^-26 эрг/град.

Принципиальная схема эксперимента:

Рис.1 Зависимость текучести от температуры при различных ориентациях нематика по отношению к скорости течения.

Рис.2. Зависимость σ (Т). Величины W для ИЖ и НЖК мало отличаются. В твёрдой фазе W резко возрастает, а σ испытывает скачёк на два порядка величины.

Выполнение работы:

1.Включить приборы, входящие в экспериментальную установку. Установить регулятор на 80⁰С, напряжение на нагревательной спирали ~30 В, переключатель диапазона В7-26 в положении × 10⁷ для измерения сопротивления.

2.Установить “0” и “∞ ”прибора В7-26

3.Подключит ячейку к прибору В7-26.

4.Провести измерения Radio, когда регулятор температуры ЭРА_М покажет изменения температуры “меньше”-“больше”-“меньше”.

5.Перевести движок регулятора температуры на два градуса выше и провести новое измерение, когда регулятор вновь пройдёт положение “меньше”-“больше”-“меньше”.

6.Проделать измерения в трёх фазах (твёрдая, нематическая, изотропная) в цикле нагревания и охлаждения.

7.Построить графики R(T) и lg σ (1/Т). Определить энергию электропроводности.

Вопросы:

1.Опишите характер электропроводности органических жидкостей.

2.Чем подтверждается предположение об ионном механизме электропроводности кристаллов нематического типа.

3.Как зависит электропроводность от температуры.

4.Объясните зависимость текучести от температуры и ориентации в нематической фазе.

5.Объясните понятия вязкости и текучести.

6.Опишите экспериментальную схему измерения.

.