Влияние нанорельефа поверхности на ориентационные и электрооптические эффекты в нематических жидких кристаллах

ВЛИЯНИЕ НАНОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ НА ОРИЕНТАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ Е.А. Коншина, М.А. Федоров, Л.П. Амосова, Ю.М. Воронин

С помощью метода двулучепреломления исследована фазовая модуляция света в слое нематического жидкого кристалла и влияние нанорельефа ориентирующей поверхности на порог Б-эффекта Фредерик-са, начальный угол наклона директора, величину фазовой задержки и динамику переориентации директора в электрическом поле.

Введение

Ориентация директора в слое нематического жидкого кристалла (ЖК) определяется конкурирующими процессами объемного и поверхностного взаимодействия молекул ЖК. Топология рельефа поверхности играет ключевую роль в механизме анизотропно-упругого взаимодействия на границе раздела фаз и ориентации молекул в слое ЖК. Взаимодействие (или согласование) ЖК с анизотропной поверхностью представляет собой сложный процесс, на который оказывает влияние не только структура поверхности, но и энергия сцепления на границе раздела фаз. Исследование структуры поверхности и влияние ее на ориентацию молекул и электрооптику ЖК представляет интерес и для фундаментальной науки, и для развития технологии ЖК устройств различного назначения, включая технологии получения исходной ориентации плоского слоя ЖК в дисплеях [1-3].

Одной из технологий в производстве ЖК-дисплеев, развивающихся в последние годы, является ориентация нематических ЖК с помощью слоев на основе аморфного гидрогенизированного углерода (a-C:H) [4, 5]. Наши исследования показали, что на однородность планарной ориентации ЖК, полученной с помощью слоев a-C:H, существенное влияние оказывает рельеф поверхности электродного слоя [6]. Формирование на поверхности прозрачного электрода периодической анизотропной структуры способствует более согласованному повороту молекул нематика в электрическом поле и повышению фазовой задержки света в слое ЖК и ускорению динамики Б-эффекта Фреде-рикса [7]. Однако процессы, происходящие на границе раздела фаз «нематический ЖК-поверхность с анизотропным рельефом», весьма сложны, и для их объяснения необходимо проведение дополнительных исследований.

Целью этой работы является выяснение влияния нанорельефа поверхности на фазовую модуляцию монохроматического света в слое нематического ЖК и динамику переориентации директора в случае Б-эффекта в электрическом поле. Исследования, проводимые в работе, были основаны на использовании метода двулучепреломления, с помощью которого были получены зависимости пропускания и фазовой задержки света от напряжения и определены порог Б-эффекта и начальный угол наклона директора, а также изучалась динамика нарастания и спада эффекта.

Фазовая модуляция света в слое нематического ЖК

Электрооптические эффекты Фредерикса, происходящие при приложении электрического или магнитного поля к слою ЖК, обусловлены его упругой деформацией. Основное отличие деформации жидкого кристалла от деформации твердого тела заключается в том, что в ЖК нет растяжения или сжатия слоев при изгибах и поступательного движения частиц при кручении. Это результат проскальзывания одних жидких слоев относительно других. Упругость жидких кристаллов связана с локальным изменением ориентации длинных осей молекул директора ЖК в направлении вектора поля [8].

Для осуществления S-деформации нематического ЖК с положительной оптической анизотропией направления директора у поверхностей, ограничивающих слой ЖК, должны быть параллельны друг другу в отсутствии поля. Порог электрооптического эффекта соответствует напряжению и электрического поля, при котором начинает изменяться угол наклона директора ЖК 0 относительно плоскости подложки. Для S-деформации порог определяется как

и*=*Ж

где К11 - константа упругости Франка, Ав - анизотропия диэлектрической проницаемости [9].

Одной из важных характеристик ЖК является двулучепреломление. Если направление поляризации падающего на ЖК ячейку света образует некоторый угол в (в ^ 0, П2) с направлением ориентации молекул на ближайшей к свету подложке, то в общем случае свет, прошедший через ячейку, будет эллиптически поляризованным. При приложении к слою ЖК толщиной с1 электрического поля происходит уменьшение двулу-чепреломления, наблюдаемого по изменению фазы светового потока, распространяющегося перпендикулярно слою. В результате изменения угла наклона директора 0 относительно оси 2, параллельной полю, показатель преломления для обыкновенного луча п0 остается неизменным, а для необыкновенного луча показатель пе уменьшается, стремясь к п0. Изменение показателя преломления п (г) и оптической анизотропии Ап описывается следующими формулами [10]:

, ч попе

п( 2) =

cos2 в

í

An = (1/d ) I (n(z) - no )dz,

0

Разность фаз АФ связана с неоднородным изменением показателя преломления n (z) по толщине слоя ЖК для монохроматического света с длиной волны X соотношением

АФ = 2ndAn/ X,

Для определения параметров ЖК ячейки в эксперименте рассмотрим плоскую ячейку, в которой молекулы ЖК ориентируется параллельно с начальным углом наклона вр. При приложении к ячейке электрического поля напряжением U, величина которого ниже порога S-эффекта, директор ЖК находится в невозмущенном состоянии. Как только напряжение U будет больше Uth, молекулы начинают отклоняться в направлении электрического поля. При U > Uth угол наклона в (z) зависит от внешнего напряжения, и величина фазовой задержки между необыкновенным и обыкновенным лучами после прохождения света через слой ЖК выражается как

АФ

С повышением напряжения угол в (z) увеличивается, а разница фаз двух ортогональных волн постепенно уменьшается. Когда напряжение, приложенное к слою ЖК, будет достаточно высоким, все молекулы должны быть переориентированы перпендикулярно ограничивающим слой плоскостям. Директор ЖК в этом случае будет параллелен направлению вектора электрического поля, а общая фазовая задержка света для двух ортогональных компонент приблизится к нулю.

Максимальное значение фазовой задержки света в слое ЖК АФтах будет равно

АФmax = 2п/

где

ПеПо

К = e o

*Jn2e sin2 0p + По2 cos2 0p

Если начальный угол наклона директора вр мал, то величина ne сравнима с ne [9].

Динамика процесса электрооптического отклика ЖК характеризуется временем нарастания топ и временем спада Toff S-эффекта. топ соответствует времени изменения угла наклона директора в электрическом поле от начального угла вр до 90о и качественно описывается известной формулой [8]

_ 4y. d2

Ton _ As (U2 - Uh ),

где Yj - вязкость ЖК. После окончания действия импульса приложенного напряжения происходит процесс релаксации, связанный с возвращением директора в первоначальное положение. Время спада угла наклона директора определяется вязкоупругими свойствами ЖК. После окончания действия электрического поля баланс между упругим и вязким моментами записывается как

^ д2в дв

Решение этого уравнения (при любых в) дает экспоненциальный спад в с набором постоянных времени. Распределение угла отклонения директора по координате в (z) представляет собой набор собственных функций, затухающих с различными временами. В упрощенном виде для оценки времени спада S-эффекта можно воспользоваться формулой [8]

Toff

= Yd 2/

П K1

Экспериментальные результаты и их обсуждение.

Для измерения фазовой задержки и динамических характеристик ЖК ячеек была использована электрооптическая система, принципиальная схема которой показана на рис. 1. ЖК ячейку размещали между скрещенными поляризаторами. В качестве источника света использовали He-Ne лазер с длиной волны Я = 632,8 нм. Угол между вектором поляризации падающего луча и исходным направлением директора ЖК /3= 45o. Прошедшее через анализатор излучение регистрировали с помощью фотодиода, сигнал от которого поступал на осциллограф.

Изменение интенсивности регистрируемого излучения связано со значением фазовой задержки следующей формулой:

I = Io sin2 2в^п2

где Io - интенсивность падающего на ячейку линейно поляризованного света.

В работе был использован нематический ЖК фирмы Merck BL - 037 с положительной оптической анизотропией Дп = 0.282 для Я= 589.3 нм и диэлектрической анизотропией Дв = 16.9. Толщину слоя ЖК варьировали, используя при сборке плоских ЖК ячеек тефлоновые прокладки разной толщины, с помощью которых фиксировали зазор между подложками. Ячейки заполняли ЖК в нематической фазе капиллярным способом при температуре около 60°.

Рис.1. Схема измерения электрооптического отклика ЖК ячеек.

Ь - Не-Ые лазер, Ю-сеН- ЖК ячейка, А- анализатор; Р - поляризатор, О - генератор напряжения, Рй- фотодиод, ОБ - осциллограф.

Пропускание света в зависимости от напряжения и измеряли при подаче на ЖК ячейку синусоидального напряжения с частотой 1 кГц. Измерения проводили при комнатной температуре и постоянной интенсивности падающего излучения. Полученные экспериментальные данные были использованы для определения фазовой задержки света, порогового напряжения S-эффекта и начального угла наклона ЖК ячеек. Величину порогового напряжения и^ определяли линейной экстраполяцией зависимости ЛФ (и) в области низких напряжений. При высоких напряжениях величина фазовой задержки становится линейной функцией обратного напряжения, поэтому максимальную величину фазовой задержки ЛФтах определяли линейной экстраполяцией зависимости ЛФ (1/и) при 1/и = 0. Начальный угол наклона директора 9р в ЖК ячейках находили по значению ЛФтах из расчетной зависимости фазовой задержки от угла наклона директора для определенной толщины слоя ЖК. Величина угла 9р, полученная этим методом, хорошо совпадает с результатами определения угла наклона директора известным методом вращения ЖК ячейки. Толщину ЖК слоя определяли с помощью метода вращения ЖК ячейки [11]. Результаты определения ЛФтах, угла 9р, порога иа и толщины ЖК слоя Л для исследованных ячеек приведены в таблице 1.

Ориентирующая л, щ, ЛФтах/ П 9р ,

поверхность мкм В град.

а-С:Н 13.6 2.3 12.9 2

ОеО 13.5 0.8 10 35

ОеО 13.5 0.7 9.3 22

ОеО / а-С:Н 12.5 1 11.9 7

ОеО / а-С:Н 13.5 1.1 12 6

ОеО / а-С:Н 15.3 1.1 14 0

Таблица 1. Параметры ЖК ячеек

Исследования топологии структуры поверхности слоев, ориентирующих ЖК, проводили с помощью атомно-силового микроскопа, сделанного на основе сканирующей головки «SMENA» фирмы NT-MDT. Микроскоп работал в резонансном режиме «topping mode». В качестве зонда использовались наноразмерные острия, закрепленные на одном из плеч часового камертонного кварцевого резонатора с собственной частотой 32,8 кГц. В качестве поверхностей с анизотропным нанорельефом были использованы слои моноокиси германия (GeO), которые получали наклонным напылением в вакууме. На рис. 2а приведено изображение поверхности GeO площадью 2x2 мкм .

Рис. 2. Изображения рельефа поверхностей ОеО

При осаждении на эту поверхность тонкого слоя а-С:Н происходит сглаживание высоты неровностей рельефа (рис. 2б). На рис. 2а и 2б приведены кривые распределения неровностей по высоте и профилограммы, полученные в результате сканирования вдоль линии, показанной на рисунке трехмерного изображения рельефа. В табл. 2 приведены численные значения параметров нанорельефа исследуемых поверхностей, полученные в результате статистической обработки профилограмм сканирования 256 строк по 256 точек.

Характеристики поверхности GeO GeO / a-C:H

Наибольшая высота неровностей профиля Яшах, нм 20.3 4.9

Среднее отклонение профиля Яшеап, нм 7.8 2.5

Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, нм 1.7 0.7

Среднее квадратичное отклонение профиля Яц, нм 2.2 0.8

Таблица 2. Параметры нанорельефа поверхностей GeO и GeO / a-C:H

Уменьшение высоты неровностей нанорельефа поверхности приводило к снижению начального угла наклона директора ЖК. Экспериментально установлено, что угол 9р в ЖК ячейках с ориентирующим слоем ОеО находился в интервале 22-35о. В ЖК ячейках с комбинированной поверхностью ОеО / а-С:Н (табл. 1) он уменьшался до 0-6о в результате сглаживания нанорельефа поверхности.

В результате осаждения на поверхность ОеО слоя а-С:Н наблюдалось повышение порогового напряжения, которое увеличилось от 0.7 В до 1.1 В (табл. 1). В соответствии с формулой (1) величина Ци прямо пропорциональна константе упругости Франка К11 и обратно пропорциональна анизотропии диэлектрической проницаемости Ав. Повышение порога эффекта Фредерикса для одного и того же ЖК можно объяснить изменением условий анизотропно-упругого межфазного взаимодействия на границе раздела с поверхностью. Величина порога для относительно гладкой ориентирующей поверхности а-С:Н была выше в два раза по сравнению с Цн для поверхности ОеО / а-С:Н (табл. 1). Это свидетельствует о влиянии нанорельефа поверхности на порог эффекта.

На рис. 3 приведены зависимости АФ(Ц) для ячеек, имеющих одинаковую толщину слоя ЖК и разные ориентирующие поверхности. Крутой подъем АФ (Ц) (кривая 2) по сравнению с кривой 1 на рис. 3 указывают на более согласованный поворот директора по всей толщине слоя ЖК, включая граничные области, и меньшее противодействие анизотропно-упругим силам на межфазной границе. При уменьшении высоты неровностей нанорельефа в случае осаждения на поверхность ОеО тонкого слоя а-С:Н наблюдается увеличение величины фазовой задержки для слоя ЖК такой же толщины.

На рис. 4 приведены экспериментально полученные зависимости АФ(^) для ряда ЖК ячеек с ориентирующими поверхностями ОеО (кривая 1) и ОеО / а-С:Н (кривая 2). В соответствии с формулой (4) при постоянном значении Ап величина фазовой задержки для монохроматического света пропорциональна толщине слоя ЖК. Вместе с тем на рис. 4 можно видеть, что для одной и той же толщины слоя ЖК с1 величина фазовой задержки выше в ячейках с ориентирующими поверхностями ОеО / а-С:Н (прямая 2). Эффект увеличения фазовой задержки света, наблюдаемый при одинаковой толщине слоя ЖК на рис. 4, служит еще одним доказательством влияния анизотропно-упругого межфазного взаимодействия ЖК с поверхностью на фазовую модуляцию света в нематике.

Рис. 3. Зависимости АФ (и для ЖК ячеек с ориентирующими поверхностями GeO

с1, мкм

Рис. 4. Зависимости ДФ (с/) для ЖК ячеек с ориентирующими поверхностями ОеО

На рис. 5 приведены осциллограммы изменения пропускания в момент нарастания Б-эффекта в ячейках с толщиной слоя ЖК, равной 13.5 мкм, при подаче импульса напряжения прямоугольной формы амплитудой 20 В и длительностью импульса 0.5 с. По осциллирующим кривым пропускания можно наблюдать динамику изменения угла наклона директора в слое ЖК, приводящего к изменению двулучепреломления света.

Рис. 5. Осциллограммы нарастания Б - эффекта в слое ЖК толщиной 13.5 мкм при подаче импульса напряжения 20В длительностью 0.5с для разных ориентирующих поверхностей: а - для ОеО, б - для ОеО / а-С:Н

Изменение граничных условий, связанное с уменьшением высоты неровностей и сглаживанием нанорельефа поверхности в результате осаждения на поверхность GeO тонкого диэлектрического слоя a-C:H, привело к удвоению величины фазовой задержки света (которая соответствует количеству экстремумов на кривой) для той же толщины слоя ЖК (рис. 5б). В соответствии с формулой (4) такое изменение АФ эквивалентно увеличению толщины слоя в два раза, если считать неизменной величину An.

Времена полного нарастания и спада S-эффекта были получены обработкой осциллограмм по уровню пропускания 0.1 и 0.9. Для ячеек с ориентирующими поверхностями GeO и GeO / a-C:H время топ составило 7 мс и 8 мс (рис. 5), а время roff соответствовало 2.8 с и 4 с. Незначительное замедление процесса нарастании S-эффекта в случае взаимодействия ЖК на границе раздела фаз с поверхностью a-C:H в соответствии с формулой (9) может быть связано с увеличением порогового напряжения.

Процесс релаксации директора ЖК происходит медленно и определяется величиной вязкости, константой упругости и толщиной слоя ЖК в соответствии с формулой (10). Время спада эффекта на три порядка величины больше времени его нарастания. Повышение времени спада эффекта для комбинированной поверхности GeO a-C:H не удается объяснить в рамках феноменологической теории деформации нематика в электрическом поле. Для изучения динамики процесса релаксации директора в тонком слое ЖК вблизи поверхности и влияния на него анизотропно-упругого межфазного взаимодействия требуется проведение дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. Эти исследования следует направить на оценку энергии сцепления на границе раздела фаз и влияния на нее электрических свойств ориентирующей поверхности и ЖК.

Заключение

С помощью метода двулучепреломления изучались особенности ориентации и электрооптики слоя нематического ЖК при вариации параметров нанорельефа ориентирующей поверхности. Экспериментально исследована фазовая модуляция света и динамика переориентации директора в электрическом поле для случая S-эффекта Фре-дерикса и влияние граничных условий на порог эффекта, начальный угол наклона директора, величину фазовой задержки и динамику процесса. В результате работы установлено, что при осаждении на поверхность GeO, имеющую заданную анизотропию рельефа тонкого слоя a-C:H, происходит уменьшение высоты неровностей нанорелье-фа. Это приводит к значительному снижению начального угла наклона директора, увеличению порогового напряжения и повышению величины фазовой задержки света. Одновременно с этим наблюдалось замедление динамики процесса переориентации директора ЖК в электрическом поле при нарастании и спаде S-эффекта. Объяснение этого явления требует проведения дополнительных исследований структурной динамики ЖК в электрическом поле и влияния на нее электрических свойств ориентирующей поверхности и ЖК. Полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки ЖК устройств, основанных фазовой модуляции света.

Работа выполнена в рамках НИР 01.2.006 04998 «Исследование структурной динамики жидкокристаллических сред во внешних полях».

Литература

1. Yeung F. S., Kwoka H.-S. Fast response no-bias liquid crystal displays using nanostruc-tured surfaces // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 063505-3.

2. Yeung F. S., Ho J. Y., Li Y. W., e.a. Variable liquid crystal pretilt angles by nanostruc-tured surfaces // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 051910-3.

3. Chae B., Kim S. B., Lee S. W., e.a. Surface morphology, molecular reorientation, and liquid crystals alignment properties of rubbed nanofilms of a well-defined brush polyim-ide with a fully rodlike backbone // Macromolecules. 2002. V. 35. P. 10119-30.

4. Rho S.J., Lee D.-K. , Baik H.K., e.a. Investigation of the alignment phenomena using a-C:H thin films for liquid crystal alignment materials // Thin Solid Films. 2002. Vol. 420-421, P. 259-62.

5. Hwang J.-Y., Jo Y.-M., Seo D.-S. Jang J. Liquid crystal alignment capability by the UV alignment method in a-C:H thin films. // Jap. J. of Appl. Phys., Part 2: Letters. 2003. Vol. 42, No 2A, L114-L116.

6. Коншина Е.А., Толмачев В.А., Вангонен А.И., Фаткулина Л.А. Исследование свойств плазменно-полимеризованных слоев и влияния их на ориентацию нема-тических жидких кристаллов. // Оптический журнал. 1997. Т. 64. № 5. С. 88-95.

7. Коншина Е. А., Федоров М. А. Влияние граничных условий на фазовую модуляцию света в случае S - эффекта нематика // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. Вып. 22. С. 15-21.

8. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978.

9. Hwang S. J., Lin S.-T., Lai C.-H. A novel method to measure the cell gap and pretilt angle of a reflective liquid crystal display // Opt. Comm. 2006. V. 260. P. 614-620.

10. Чигринов В.Г. Ориентационные эффекты в нематических жидких кристаллах в электрическом и магнитном полях // Кристаллография. 1982. Т.27. Вып. 2. С. 404430.

11. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами // Оптический журнал. 2006. Т.73. №12. С. 9-13.