Московский государственный университет
им.
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Лаборатория спектроскопии дефектных структур
ИФТТ РАН
Линейные дефекты в смектических антисегнетоэлектрических наноплёнках
Курсовая работа по физике жидких кристаллов
студента третьего курса 301 группы
Виталия Юрьевича Зайцева
Научный руководитель
к. ф.-м. н., с. н.с.
Черноголовка 2015
Содержание
Введение ………………………………………………………….………..……... 1. Литературный обзор …………………………………….……………………. 2. Экспериментальная часть …………………………………………………...... 3. Обсуждение результатов ……………………………………………………... Заключение ………………………………………………………………………. Список литературы ……………………………………………………………… | 3 5 6 14 15 16 |
Введение
Жидкие кристаллы (ЖК) – это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Наиболее часто жидкокристаллическое состояние встречается у органических веществ, молекул которых имеют удлиненную или дискообразную форму. Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностью внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов [1].
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на термотропные (образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений) и лиотропные (переходящие в жидкокристаллическую фазу при изменении концентрации вещества в растворителе). В свою очередь термотропные делятся на нематические ЖК (нематики), холестерические ЖК (холестерики) и смектические ЖК (смектики).
Смектики – такие жидкие кристаллы, в которых кроме порядка в ориентациях имеется порядок в расположении центров масс молекул. Смектические жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую сигарообразную форму, причем они ориентированы параллельно друг другу и образуют параллельные слои. Внутри слоёв, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектики образуют структуру, состоящую из плоских слоёв, между которыми существует чётко определённое расстояние. Слои могут сдвигаться друг относительно друга [2]. Благодаря такой особенной структуре, смектические ЖК могут образовывать свободно подвешенные плёнки – стабильные плёнки, толщина которых составляет несколько молекулярных слоёв. Толщина такой плёнки определяется длиной молекул. Площадь плёнок при этом может составлять порядка квадратных сантиметров. Существует несколько разновидностей смектических ЖК. Смектики С – это такие ЖК, в которых длинные оси молекул наклонены под некоторым углом к слоям (рисунок 1). Если длинные оси молекул перпендикулярны слоям, то такие жидкие кристаллы называют смектиками А.
Рисунок 1. Расположение молекул в смектическом С жидком кристалле.
В данной работе проводились исследования смектических антисегнетоэлектрических жидких кристаллов (смектики СА*). В таких ЖК длинные оси молекул расположены под определенным углом к слоям, но, в отличие от смектиков С, в соседних слоях молекулы меняют ориентацию таким образом, как показано на рисунке 2. Каждый молекулярный слой обладает электрической поляризацией, перпендикулярной плоскости наклона молекул.
Рисунок 2. Расположение молекул в смектическом СА* жидком кристалле.
Литературный обзор
Типичные дефекты в смектических плёнках, которые могут образовываться во внешнем электрическом поле – 2π стенки, которые исследовались ранее в ряде работ [3], [4], [5]. В таких 2π стенках, наблюдаемые в тонких плёнках под микроскопом в электрическом поле, происходит поворот c-директора. Длина, на которой с-директор поворачивается от –π/2 до + π/2 относительно ориентации в центре стенки, называется шириной стенки.
Схематически структура 2π стенки показана на рисунке 3. В случае (а) поле направлено перпендикулярно 2π стенке, а в случае (б) – параллельно ей.
Рисунок 3. Схематическое изображение 2π стенки. Случай (а) – электрическое поле перпендикулярно стенке, случай (б) – параллельно ей. Поляризация перпендикулярна с-директору.
В статье [5] были получены формулы для структуры стенки, угла поворота с-директора φ в зависимости от координаты.
tan(φ/4) = ±exp(-|x|/ξ), (1)
где ξ = (К/PoE)1/2 – корреляционная длина. Здесь Po – поляризация плёнки, К – константа ориентационной упругости с-директора.
Ширина 2π стенки пропорциональна корреляционной длине [5]:
w = 1.76 ξ (2)
Экспериментальная часть
В данной работе перед тем, как приступить к исследованию тонких смектических антисегнетоэлектрических плёнок и, в частности, линейных дефектов в них, необходимо было приготовить плёнки. Плёнки приготовлялись на специальной ячейке с двумя металлическими сторонами, на которые подавалось напряжение от источника тока (рисунок 3). В экспериментах использовалось вещество TFMHPOBC, которое при комнатной температуре является кристаллом, при нагревании переходит в антисегнетоэлектрическую смектическую фазу, а при 115 0С становится смектиком А. Приготовление тонких плёнок производилось в антисегнетоэлектрической фазе. Сама ячейка помещалась в термостатированное устройство. Исследования тонких плёнок, описываемые в работе, проводились при 90 0С.
Рисунок 3. Ячейка, использовавшаяся для приготовления сегнетоэлектрических смектических плёнок. Вид сверху (TFMHPOBC – вещество, расположенное между ножей ячейки в виде натянутой тонкой плёнки).
Исследование тонких плёнок проводилось при помощи экспериментальной установки, показанной на рисунке 4. После нанесения антисегнетоэлектрического ЖК на ячейку и приготовления плёнки, образец устанавливался на столик оптического микроскопа. К микроскопу подсоединялся спектрометр, который, в свою очередь, был связан с компьютером, на котором отображался снятый спектр – зависимость интенсивности отражения света от плёнок от длины волны нормально падающего света. К микроскопу прикреплялась фотокамера, которая, в свою очередь, подключалась к компьютеру, и фотографии можно было отображать на мониторе.
Рисунок 4. Схема экспериментальной установки, использовавшейся для исследования свободно подвешенных смектических антисегнетоэлектрических плёнок. Обозначения: 1 – микроскоп, 2 – спектрометр, 3 – ПК, 4 – образец (тонкая плёнка), 5 – световод, 6 – фотокамера.
Перейдём непосредственно к описанию тонких плёнок и линейных дефектов в них. На рисунке 5 показана фотография плёнки, в отражённом поляризованном свете. Фото получено в отсутствие электрического поля. Участки различной яркости соответствуют различной ориентации директора в плоскости плёнки.
Рисунок 5. Фото плёнки в поляризованном свете в отсутствии электрического поля. Участки различной яркости соответствуют различной ориентации директора в плоскости плёнки.
Во время приготовления антисегнетоэлектрических смектических плёнок, как видно на рисунке 6, могли образовываться точечные топологические дефекты. Фотография плёнки с точечным топологическим дефектом была снята в отражённом свете со слегка раскрещенными поляризаторами в отсутствии электрического поля. Такие дефекты не были предметом изучения в данной работе, однако, стоит отметить, что их образование типично для плёнок смектиков с наклонёнными в слоях молекулами.
Рисунок 6. Фото плёнки с точечным топологическим дефектом в отражённом свете со слегка раскрещенными поляризаторами в отсутствии электрического поля.
В эксперименте были получены несколько плёнок и с помощью спектрометра и микроскопа, работающего на отражении, были определены их толщины. Ниже приведены спектры отражения плёнок толщиной 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9 и 11 смектических слоёв (рисунок 7).
Рисунок 7. Интенсивность отражения света от свободно подвешенных плёнок смектического жидкого кристалла различной толщины. N – число молекулярных слоёв плёнки.
Как уже было сказано, смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, а в каждом слое есть упорядочение молекул. Однако тонкие плёнки антисегнетоэлектрика с чётным и нечётным числом смектических слоёв отличаются своими поляризациями. На примере тонких плёнок с числом смектических слоёв N = 3 (нечётное) и N = 4 (чётное) можно схематически показать природу таких поляризаций. Как видно из такой схемы (рисунок 8), для плёнок с нечётным числом слоёв продольные поляризации равны по модулю и противоположны по направлению, что в сумме даёт ноль, а поперечные поляризации при их сложении дают результирующую (на рисунке 8 для нечётных слоёв она направлена на нас). Для плёнок с чётным числом слоёв дело обстоит иначе: поперечные поляризации в сумме дают ноль, а продольные, складываясь, дают ненулевую результирующую (на рисунке 8 для чётных слоёв она направлена вправо).
Рисунок 8. Схематическое изображение плёнок антисегнетоэлектрического жидкого кристалла с чётным и нечётным числом смектических слоёв. PL и PT – продольная и поперечная поляризации соответственно.
Дальнейшее изучение тонких свободно подвешенных антисегнетоэлектрических смектических плёнок происходило в электрическом поле. Стоит сказать, что в одной плёнке могут появляться участки с различной толщиной, которые хорошо видны под микроскопом. Ниже приведена фотография такой плёнки, снятая в линейно-поляризованном свете (рисунок 9). В кадре видна граница между двумя толщинами N = 5 (слева) и N = 6 (справа). Две параллельные полосы – это 2π стенки, которые являются линейными дефектами и рассмотрение которых будет изложено далее. В плёнке с числом молекулярных слоёв N = 5 с-директор ориентируется перпендикулярно электрическому полю, а в плёнке с числом молекулярных слоёв N = 6 – параллельно ему.
Рисунок 9. Фотография плёнки с числом молекулярных слоёв N = 5 (слева) и N = 6 (справа), которая была снята в линейно-поляризованном отраженном свете. Т = 90˚С, Е = 1.33 В/мм.
Детальное изучение 2π стенок в проводилось в плёнках с числом смектических слоёв N = 5 и N = 6. Приведённые ниже фотографии плёнок с линейным дефектом в виде 2π стенки с N = 6, т. е. с чётным числом слоёв (рисунок 11), и с N = 5 – нечётным числом слоёв (рисунок 12), показывает, что направление электрического поля не влияет на ширину такой стенки. Однако, как видно из фотографий, центральная тёмная полоса отличается своими размерами в зависимости от направления электрического поля. Это объясняется анизотропией ориентационных упругих констант с-директора. Если поле приложено перпендикулярно стенке, то толщина центральной тёмной полосы меньше, чем в случае с продольным полем. Ширина стенок составляет 33 микрона для случая N = 6 и 20 микрон соответственно для случая N = 5.
Рисунок 11. Фотографии 2π стенки в плёнке с толщиной N = 6 смектических слоёв. Фото (а) - 2π стенка перпендикулярна электрическому полю, фото (б) – параллельна ему. Ширина 2π стенки и в случае (а), и в случае (б) составляет 33 микрона. Т = 90˚С, Е = 1.33 В/мм.
Рисунок 12. Фотографии 2π стенки в плёнке с толщиной N = 5 смектических слоёв. Фото (а) - 2π стенка перпендикулярна электрическому полю, фото (б) – параллельна ему. Ширина 2π стенки и в случае (а), и в случае (б) составляет 20 микрон. Т = 90˚С, Е = 1.33 В/мм.
Для того чтобы показать различие в толщинах 2π стенок для плёнок с разным числом смектических слоёв, сравним фотографии, в которых и в случае (а), и в случае (б) электрическое поле направлено параллельно стенке. На рисунке 13 показана такая фотография, которая хорошо демонстрирует разницу в толщинах 2π стенок. Ширина 2π стенки существенно больше для плёнки толщиной N = 6 слоёв.
Рисунок 13. Фотографии 2π стенки в плёнке с чётным (а) и нечётным (б) числом слоёв, параллельные направлению электрического поля. В плёнке с чётным числом смектических слоёв ширина 2π стенки равна 33 микрона, в плёнке с нечётным числом смектических слоёв – 20 микрон. Т = 90˚С, Е = 1.33 В/мм.
Обсуждение результатов
Из определенных нами ширин 2π стенок можно определить некоторые важные характеристики тонких плёнок с чётным и нечётным числом слоёв. Начнём рассмотрение с тонкой плёнки с N = 5 смектических слоёв. Как было сказано выше, для такой плёнки ширина 2π стенки w = 20 микрон. В статье [6] была определена поперечная поляризация Po(1) для исследуемого вещества TFMHPOBC одного слоя, которая приблизительно равна 1.45 мКл/м2. Для N = 5 слоёв можно принять, что поляризация плёнки Po(5) = Po(1)/5 = 0.290 мКл/м2. При помощи этих данных можно определить корреляционную длину:
ξ = w/1.76 = 20/1.76 = 11.36 мкм,
а также упругую константу:
К = ξ2*Po(5)*E = (11.36)2*0.29*1.33*10-12 = 5.0 * 10-11 Н
Будем считать, что константы К для N = 5 и N = 6 приблизительно одинаковы. Тогда можем посчитать продольную поляризацию для плёнки с N = 6 и сравнить её с поперечной поляризацией для плёнки с N = 5. Для этого сначала определим корреляционную длину для 2π стенки в образце с N = 6 слоёв:
ξ = 33/1.76 = 18.75 мкм.
Теперь можно определить поляризацию, которая равна:
Po(6) = K/(ξ2*E) = 5 * 10-11/((18.75)2*10-9*1.33) = 0.107 мКл/м2
Найдём отношение поляризаций плёнок с N = 5 и N = 6:
Po(5)/Po(6) = 0.290/0.107 = 2.71.
Различие величины поляризации связано с их различной природой (рис 8). Приведённые здесь вычисления производились в предположении равенства ориентационных упругих констант продольного и поперечного изгиба с-директора. Однако структура стенок различной ориентации свидетельствует о том, что эти константы в исследовавшихся плёнках различные (см. рисунок 11 и 12). Из вида стенок различной ориентации можно заключить, что константа продольной упругости больше константы поперечной упругости для плёнки с нечётным числом слоёв, а для плёнки с чётным числом слоёв константа продольной упругости меньше константы поперечной упругости. Детальное количественное исследование анизотропии упругих констант, её зависимости от толщины плёнки будет предметом дальнейшей работы.
Заключение
За прошедшее время мною была проделана следующая работа:
Освоен метод получения тонких свободно подвешенных смектических плёнок (наноплёнок) с использованием ячейки, позволяющей проводить исследование в электрическом поле. Проведены исследования 2π стенок в плёнках антисегнетоэлектрического жидкого кристалла толщиной N = 5 и N = 6 смектических слоёв. Определены ширина 2π стенок в плёнках с N = 5 и N = 6 смектических слоёв, корреляционная длина, ориентационная упругая константа, продольная поляризация для плёнки с N = 6 слоёв. Определено отношение поперечной поляризации плёнки с N = 5 к продольной поляризации плёнки с N = 6 слоёв.В дальнейшем изучение свободно подвешенных смектических плёнок будет продолжено, будут изучаться особенности упорядочения в плёнках, линейные и точечные топологические дефекты.
Список литературы
1. П. де Жен «Физика жидких кристаллов», перевод с английского, Москва, «Мир» 1977, 400 стр.
2. , , УФН 173 941 (2003).
3. D. R. Link, J. E. Maclennan, and N. A. Clark, Phys. Rev. Lett. 77, 2237 (1996).
4. Ralf Stannarius, Jianjun Li, and Wolfgang Weissflog, Phys. Rev. Lett. 90, 025502-1 (2003)
5. R. Pindak, C. Y. Young, R. B. Meyer, and N. A. Clark, Phys. Rev. Lett. 45, 1193 (1980)
6. zuki, T. Hagiwara, I. Kawamura, N. Okamura, T. Kitazume, M. Kakimoto, Y. Imai, Y. Ouchi, H. Takezoe, and A. Fukuda, Liquid Crystals 6, 167 (1989)
