Электрооптическая мультистабильность в каплях холестерика, обусловленная эффектом ионной модификации межфазных границ

Электрооптическая мультистабильность в каплях холестерика, обусловленная эффектом ионной модификации межфазных границ

1, 2,3

1Сибирский федеральный университет, Институт инженерной физики и радиоэлектроники,
Красноярск,

2Институт физики им. , Красноярский научный центр, СО РАН
Красноярск, Академгородок, 50-38

3Сибирский государственный аэрокосмический университет им. ,
660014 Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 31

E-mail: *****@ , тел.: [phone]

Аннотация

Описываются состав и структура композитных электрооптических пленок на основе полимера, холестерического жидкого кристалла и ионного сурфактанта. В основу функционирования композитного материала положен эффект модификации поверхностного сцепления молекул жидкого кристалла с полимером за счет наноразмерного слоя ионного сурфактанта, управляемого электрическим полем. Рассматриваются структурная и электрооптическая мультистабильность, обнаруженная в исследуемых композитных пленках.

Ключевые слова: оптоэлектроника, мультистабильность, полимер, холестерик, ионный сурфактант, межфазная граница

I. Введение

Жидкие кристаллы (ЖК) и материалы на их основе являются перспективными и далеко не исчерпавшими свои возможности в различных областях оптоэлектроники [1]. Комбинация физических свойств жидких кристаллов и полимеров в композитных пленках, представляющих собой капсулированные полимером жидкие кристаллы (КПЖК), открывает новые эксплуатационные возможности оптоэлектронной техники. Композитный материал с бистабильными свойствами способен стать основой для гибких, практически не ограниченных поразмеру, энергонезависимых дисплеев, когда внешнее электрическое поле не требуется для поддержания записанного изображения, а необходимо только для смены кадра.

Цель данной работы – исследование эффекта мультистабильности в каплях холестерика, допированного ионным сурфактантом, при управлении электрическим полем.

II. Эксперимент

В нематический жидкий кристалл 4-н-пентил-4'-цианобифенил (5ЦБ)

,

имеющий температуры переходов Кр – (22 °С) – Н – (35 °С) – Из и De > 0, добавлялся холестерилацетат (Х3), обеспечивающий хиральность структуры

.

При Т = 22 °С (l = 0,589 мкм) показатели преломления 5ЦБ n|| = 1,725; n^ = 1,533 [2].

В качестве полимерной матрицы был выбран поливиниловый спирт (ПВС), имеющий формулу мономерного звена:

.

Используемый полимер для выбранного нематического жидкого кристалла обеспечивает планарные граничные условия. Ионным сурфактантом был хорошо изученный катионный сурфактант цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) [3–6] со структурной формулой:

Ионы ЦТАБ растворяются в жидком кристалле, частично адсорбируясь на межфазной границе “полимер-жидкий кристалл”. При достаточной концентрации они формируют наноразмерный слой на поверхности ПВС, задающий гомеотропную ориентацию молекул ЖК.

Образцы капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла (КПХЖК) изготавливались методом эмульгирования ЖК в водном растворе полимера с последующим испарением растворителя [7, 8].

В процессе эксперимента КПХЖК пленка помещалась между двумя стеклянными подложками с прозрачными ITO электродами на внутренних сторонах. Такая геометрия электрооптической ячейки позволяет приложить внешнее электрическое поле перпендикулярно плоскости композитной пленки. Размер исследуемых капель холестерического ЖК в плоскости полимерной пленки составлял около 10 мкм.

III. Результаты

Переориентация капель холестерика обеспечивается за счет эффекта электрически индуцированной ионной модификации межфазных границ. В исходном состоянии капли жидкого кристалла имеют закрученную радиальную структуру (рис. 1а), при этом композитная пленка в геометрии скрещенных поляризаторов пропускает свет (рис. 2а). Если приложить к КПХЖК пленке, находящейся в исходном состоянии (рис. 1а), биполярный прямоугольный электрический сигнал амплитудой 50 В и частотой 1 Гц, то капли холестерика переключаются в первое промежуточное состояние (рис. 1б). В центре капель реализуется небольшая область с однородным распределением поля директора, направленного перпендикулярно плоскости пленки, а в оставшейся части объема капли сохраняется радиальная конфигурация директора с линейным кольцевым дефектом. В таком промежуточном состоянии капли ХЖК частично пропускают излучение (рис. 2б).

Если приложить к исследуемой электрооптической ячейке, находящейся в исходном либо в первом промежуточном состоянии биполярный прямоугольный электрический сигнал амплитудой 80 В и частотой 1 Гц, то капли холестерика переключаются во второе промежуточное состояние (рис. 1в). Область с однородным распределением поля директора здесь значительно больше, чем в первом промежуточном состоянии. Во втором промежуточном состоянии капли ХЖК частично пропускают излучение, но меньше, чем в первом промежуточном состоянии (рис. 2в). Экспериментально показано, что размер области с однородным распределением директора зависит от параметров электрического сигнала и в свою очередь определяет величину проходящего излучения. Это позволяет кроме вышеописанных состояний получить и другие стабильные оптические состояния пленки с различными градациями яркости.

Если к образцу, находящемуся в первом, либо во втором промежуточном состоянии, приложить биполярный синусоидальный электрический сигнал амплитудой около 140 В и частотой 1 кГц, то практически все капли холестерика переключаются в полностью однородную структуру (рис. 1г). В однородной структуре с ориентацией директора перпендикулярно плоскости пленки, свет не проходит (рис. 2г).

Как однородную, так и промежуточные структуры можно вернуть в исходную конфигурацию следующим образом. Однородную структуру можно перевести в промежуточное состояние, воздействуя знакопеременным электрическим полем прямоугольной формы с частотой 2 Гц и амплитудой около 75 В. После воздействия второго импульса переменного электрического поля частотой 2 Гц и амплитудой около 40 В переходная ориентационная структура в каплях ХЖК трансформируется в исходную радиальную структуру.

Рис. 1. Микрофотографии пленки капсулированного полимером холестерического жидкого кристалла в различных стабильных структурных состояниях.	Рис. 2. Схематические изображения электро-оптических ячеек на основе КПХЖК пленки, соответствующие ее состояниям на рис. 1.

IV. Заключение

Таким образом, разработанный композитный материал на основе холестериков позволяет реализовать ряд стабильных структурных и оптических состояний. При воздействии электрических сигналов определенной формы и амплитуды капли жидкого кристалла переключаются в стабильное состояние с однородной ориентацией директора вдоль нормали к плоскости пленки и в геометрии скрещенных поляризаторов свет поглощается (рис. 2г). Кроме этого возможно реализовать ряд промежуточных стабильных состояний с плавной вариацией интенсивности проходящего света (рис. 2б, в). Электрическая энергия для данной системы расходуется только на переключение состояний.

Работа выполнена при частичной поддержке за счет средств грантов № П901 ФЦП «Кадры России», РНП.2.1.1.3455 и проектов СО РАН № 110, 144.

Литература

[1]  K. Takatoh, M. Hasegawa, M. Koden, N. Itoh, R. Hasegawa, M. Sakamoto, Alignment Technologies and Applications of Liquid Crystal Devices. New York: Taylor & Francis, 2005, 255 p.

[2]  , В. Ш Эпштейн, “Измерение показателей преломления жидкого кристалла с использованием перестраиваемого источника когерентного инфракрасного излучения,” ПТЭ, № 2, c. 164–166, 1987.

[3]  , , “Ориентация нематических жидких кристаллов,” Успехи химии, т. 54, вып. 2, с. 214–238, 1985.

[4]  Ж Коньяр, Ориентация нематических жидких кристаллов и их смесей. Минск: Университетское, 1986, 104 с. (J. Cognard, Alignment of nematic Liquid Crystals and Their Mixtures. London: New York, Paris, 1982).

[5]  J. E. Proust, L. Ter-Minassian-Saraga, E. Goyon, “Orientation of NLC by suitable boundary surface,” Solid state communications, v. 11, p. 1272–1280, 1972.

[6]  J. E. Proust, L. Ter-Minassian-Saraga, “Notes des members et correspondants et notes présentées ou transmises par leurs soins,” C. R. Acad. Sc. Paris Série C, v. 274, no 12, p. 1105–1107, 1972.

[7]  , , Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: Наука, 1994, 214 с.

[8]  P. S. Drzaic, Liquid crystal dispersions. Singapore: World Scientific, 1995, 430 p.