Электрооптика жидкокристаллических сегнетоэлектриков, индуцированных в смеси нематических жидких кристаллов и немезогенного хирального вещества

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №°6, 2013

УДК 538.9

ЭЛЕКТРООПТИКА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ, ИНДУЦИРОВАННЫХ В СМЕСИ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И НЕМЕЗОГЕННОГО ХИРАЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА

© 2013 В.А. Барбашов1, М.В. Минченко2, Е.П. Пожидаев2

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет 2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва

Поступила в редакцию 22.11.2013

При смешивании нематического жидкого кристалла и немезогенного хирального вещества получена новая электрооптическая среда, сочетающая в себе достоинства нематического жидкого кристалла (устойчивость монодоменного образца к механическим воздействиям) и жидкокристаллического сегнетоэлектрика - время электрооптического отклика порядка 10-5 секунды. Ключевые слова: сегнетоэлектрические жидкие кристаллы, шок-проблема

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в жидкокристаллических дисплеях и фазовых модуляторах света используются нематические жидкие кристаллы (НЖК). Крупногабаритные тонкие экраны на основе Н^КК стали возможны в значительной степени из-за высокой текучести НЖК. Нарушения оптического качества жидкокристаллического слоя при механических воздействиях на экран за доли секунды "залечиваются" течением жидкого кристалла.

Вместе с тем характерное время электрооптического отклика НЖК порядка миллисекунд, что не позволяет создавать устройства отображения информации и адаптивной оптики нового поколения. К таким устройствам относятся, например, дисплеи на технологии FSC (field sequential color) и с качественной технологией 3D, фазовые модуляторы и дефлекторы света кило-герцового диапазона.

Идеологии повышения быстродействия электрооптических модуляторов на основе НЖК существуют и активно развиваются, но все они обязательно связаны с необходимостью создания пространственно-неоднородных структур, что ведёт к сильному повышению управляющего напряжения и ухудшению оптического качества.

В качестве альтернаты нематическим жидким кристаллам (НЖК) могут быть использованы жидкокристаллические сегнетоэлектрики (ЖКС). Главным их достоинством является быстрое время отклика 10-6 - 10-5 секунды, но, вместе

Барбашов Вадим Александрович, студент. E-mail: vadbar13@yandex.ru

Минченко Максим Владиленович, ведущий инженер. E-mail: mminchenko@mail.ru

Пожидаев Евгений Павлович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник. E-mail: epozhidaev@mail.ru

с тем, монодоменные слои ЖКС необратимо разрушаются при механических воздействиях, так как течение ЖКС не наблюдается, если величина деформации превышает некоторое критическое значение. Это свойство ЖКС получило название "шок-проблема" [1]. Суть "шок-проблемы" иллюстрируется рис. 1.

Целью данной работы является решение "шок-проблемы", и на этой основе создание электрооптической среды, совмещающей в себе достоинства нематических жидких кристаллов и жидкокристаллических сегнетоэлектриков, но лишённой недостатков обоих этих электрооптических сред. Цель достигнута путём создания смесей НЖК и немезо-генных хиральных веществ определённого химического строения. При некоторых условиях в таких смесях может индуцироваться текучая смектичес-кая С * фаза жидкокристаллических сегнетоэлект-риков, что показано нами впервые.

2. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА БИНАРНОЙ СМЕСИ

Компонентами смеси стали нематический ЖК

, -N /=х

C6Hl3 \ V^ / N 4 '

-OC8H17 и немезогенное хи-

ральное вещество

W /Г\ /ЛА\ /

=\ /=\ /=\ о

H3C

C6H13

O

O—<*

CH

C6H13

Фазовые состояния смесей этих компонентов представлены на диаграмме - рис. 2.

Построение фазовой диаграммы проводилось следующим образом. Вначале смеси были получены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии. По этим данным были пост-

а) б)

Рис. 1. Высокий контраст черного и белого до деформации (а) и серое поле после деформации (б) [1]

80 70 60 50 40 30 20 10 0

Crystal

10 20 30 40 50 60

70

С

80 90 100

Рис. 2. Фазовая диаграмма

роены ветви плавления из твёрдого кристалла в жидкокристаллические фазы N и БшС*, а также перехода жидкокристаллических фаз в изотропную фазу. Для измерения температур переходов между мезофазами были использованы электрооптические и диэлектрические методы.

2.1. Сегнетоэлектрическая мезофаза 8шС*

На рис. 2 показано, что при концентрации хи-рального немезогенного вещества более 10% в смеси возникают сегнетоэлектрическая фаза БшС* и параэлектрическая фаза БшА*. Существование фаз БшС* и БшА* в указанных на рис. 2 температур-

ных интервалах строго доказано методами рентге-ноструктурного анализа, см. кружки на рис. 3(б). Доказательством существования этих фаз является также наличие температурных зависимостей спонтанной поляризации - рис. 3(а) и спонтанного угла наклона молекул к нормали в смектическом слое, измеренного согласно оптической методике, описанной в [2] - треугольники на рис. 3 (б). Различие между значениями угла наклона, измеренного оптическим и рентгеновским методами (рис. 3(б)), объясняется известной моделью "зигзага" [3].

Критерием для определения температуры фазового перехода из сегнетоэлектрической фазы БшС* в параэлектрическую фазу БшА*, мы считали экстремум пирокоэффициента.

Нами показано экспериментально, что приближение среднего молекулярного поля (СМП) для фазового перехода БшС*-8шА* в рассматриваемых смесях не выполняется. На рис. 3(б) видно, что температурная зависимость спонтанного угла наклона (треугольники) имеет скорее линейный вид, нежели корневой, как предсказывает теория СМП (сплошная линия).

2.2. Влияние поверхности

Из невыполнения приближения СМП нами было сделано предположение, что поверхность вносит существенный энергетический вклад в

Рис. 3. Температурная зависимость спонтанной поляризации смеси 19% (а) вблизи эвтектики и температурная зависимость спонтанного угла наклона молекул в этой же смеси (б): сплошная линия - теория СМП; треугольники - оптические измерения, кружки - рентгеноструктурные.

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №6, 2013

формирование сегнетоэлектрической мезофазы.

Для проверки этого предположения была взята смесь вблизи эвтектики - 19% немезогенного хирального вещества + 81% НЖК в двух ячейках разной толщины - 1.5 мкм и 50 мкм.

Измерены углы наклона в зависимости от температуры - рис. 4 (а); температура фазового перехода определялась по максимуму модуля производной угла по температуре - рис. 4(б). Как видно из графиков, при уменьшении толщины слоя ЖКС от 50 до 1.5 мкм происходит понижение температуры фазового перехода БшС* -БшА* на 2 градуса (а также значение самого угла становится меньше), что позволяет сделать вывод, что энергетический вклад поверхности сопоставим с энергией формирования наклонной структуры БшС* фазы.

2.3. Текучесть смеси

Как уже было сказано, главный недостаток смектиков - неустойчивость к механическим воздействиям. А жидкокристаллический сегнетоэ-лектрик, индуцированный в смеси НЖК и хи-рального немезогенного вещества, показывает очень хорошие времена затекания внутрь ячейки после его выдавливания путём изменения под давлением зазора между стёклами ячейки от 7.2

9, градусы

о 50цт А 1.5цт

а)

мкм до 4.7 мкм. Обратное затекание ^ККС в ячейку происходит без потери оптического качества слоя в процессе течения, см. рис. 6. На рис. 5(а) показана кинетика обратного затекания в ячейку типичного нематического кристалла

5СВ с5н

\ /Г\ /

-сы.

Кинетика обратного затекания является экспоненциальным процессом с постоянной времени 0.45 секунды. Кинетика обратного затекания сегнетоэлектрической смеси нематика с немезо-генным хиральным веществом тоже экспоненциальная, как видно на рис. 5(б), но постоянная времени в данном случае 0.23 секунды. Таким образом, в рассматриваемом случае ЖКС внутри ячейки течёт даже быстрее нематического ЖК.

Отметим, что динамика течения ЖКС измерялась по положению спейсера - рис. 6, а изменение толщины слоя ЖКС в процессе течения происходило от 4.7 микрометров (синий цвет двулу-чепреломления на левой микрофотографии рис. 6) до 7.2 микрометров (красный цвет двулучепрелом-ления на правой микрофотографии рис. 6) и вычислялось по изменению цветов двулучепре-ломления, как предложено в работе [5].

При хорошей текучести ЖКС внутри электрооптической ячейки в фазе БшС* сохраняются

-2

50цт 1.5цт

25

30

35

40

б)

45 50

Т, °с

Рис. 4. Температурные зависимости угла наклона молекул ЖК смеси 19% на двух разных толщинах: 1.5 мкм

1.00,8 0,6 0,4 0,2 0

Постоянная времени т=0.45 с

9 Степень вытекания

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

.....1, С '

а)

б)

Рис. 5. Кинетика обратного затекания типичного нематика 5СВ (а) и кинетика обратного затекания ЖК смеси 19% при 25 оС (б).

Рис. 6. Изменения текстуры слоя ЖКС в скрещенных поляроидах при изменении толщины слоя

от 4.7 мкм (левое фото) до 7 мкм (правое фото). Обратное затекание ЖК смеси 19% при 25 оС. Стрелочкой указан спейсер, за которым производится слежение для описания кинетики течения.

быстрые времена отклика (менее 90 мкс), типичные для жидкокристаллических сегнетоэлектри-ков, как это видно на рис. 7.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках данной работы впервые получена сегнетоэлектрическая смектическая SmC* мезо-фаза, обладающая текучестью внутри электрооптической ячейки, как нематический жидкий кристалл. Таким образом, создан электрооптический материал, сочетающий в себе лучшие качества нематических и смектических* жидких кристаллов: микросекундные времена отклика и устойчивость его монодоменной структуры к механическим деформациям.

4. БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы признательны кандидату химических наук Торговой Софье Исааковне за калориметрические исследования и доктору физико-математических наук Островскому Борису Исааковичу за рентгеноструктурные исследования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Naohide Wakita, Tsuyoshi Uemura, Hiroyuki Ohnishi, Hiroaki

Mizuno, Hiroshi Yamazoe. Shock-problem free flcds and

100i 8060 4020

T, MKC

20

25

30

35

2.

3.

4.

5.

40 45

T, °C

Рис. 7. Температурная зависимость времени отклика ЖК смеси 19%

mechanism of alignment destruction by mechanical shock // Ferroeleclrics, 1993, vol. 149, p. 229-238. Andersson G, Dahl I., Keller P., Kuczynsky W, Lagerwall S.T., Skarp K, Stebler B. Submicrosecond electro-optic switching in the liquid crystal amectic A phase: The soft mode ferroelectric effect // Appl. Phys. Lett., 1987, 51, N9, p. 840-842.

Bartolino R, DoucetJ., Durang G. Molecular tilt in the smectic C phase: a zigzag model // Ann. Phys., 1978, 3, p. 389-393. Пожидаев Е.П. Физические свойства смектической С* фазы жидких кристаллов и принципы создания жидкокристаллических сегнетоэлектриков с заданными электрооптическими свойствами: дисс. ... докт. физ.-матем. наук. Москва, 2006. Hegde G,XuP., PozhidaevE.P., Chigrinov V.G. andKwok H.S. Electrically controlled birefringence colours in deformed helix ferroelectric liquid crystals / / Liquid Crystals, 2008, 35, N9, 1137-1144.

ELECTROOPTICS OF FERROELECTRIC LIQUID CRYSTALS, INDUCED IN A MIXTURE OF NEMATIC LIQUID CRYSTALS WITH NON-MESOGENIC CHIRAL COMPOUND

© 2013 V.A. Barbashov1, M.V. Minchenko2, E.P. Pozhidaev2

1 Lomonosov Moscow State University 2 P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow

We have elaborated a new electrooptical material by mixing a nematic liquid crystal with a non-mesogenic chiral compound. The material combines the advantages of nematic liquid crystals (stability of the single-domain sample to mechanical stress) and ferroelectric liquid crystals - electrooptical response time of the order of 10-5 seconds. Key words: ferroelectric liquid crystals, shock-problem

Vadim Barbashov, Student. E-mail: vadbar13@yandex.ru Maksim Minchenko, Leading Engineer. E-mail: mminchenko@mail.ru

Evgeny Pozhidaev , Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Fellow. E-mail: epozhidaev@mail.ru