СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОБИЛЬНЫХ ИОНОВ В КОМПОЗИТНЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
METHOD OF DETERMINING DENSITY OF MOBILE IONS IN COMPOSITE MEDIA BASED ON LIQUID CRYSTALS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности мобильных ионов в композитных средах на основе жидких кристаллов.
-2
3
2
Известны способы определения плотности ионов в жидких кристаллах (ЖК) с помощью экспериментально полученных спектров диэлектрической проницаемости путем подгонки расчетных значений действительной и мнимой их частей, используя известные уравнения (Liao S.-W., Hsieh С.-Т., Kuo С.-С., Huang C.-Y. Voltage-assisted ion reduction in liquid crystal-silica nanoparticle dispersions. Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101, 161906). Содержание ионов можно оценить, используя низкочастотную часть спектра комплексной диэлектрической проницаемости в интервале частот между 10 и 10 Гц. (Tang C.-Yu, Huang S.-M., Lee W. Electrical properties of nematic liquid crystals doped with anatase TiO nanoparticles. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 355102 (5)). Метод диэлектрической спектроскопии позволяет качественно показать присутствие в ЖК мобильных ионов и их влияние на изменение комплексной диэлектрической проницаемости, как функции частоты приложенного электромагнитного поля. Однако с помощью этого метода трудно рассчитать эффективную плотность ионов, так как на значение диэлектрической проницаемости влияет не только концентрация ионов, но и их подвижность.
Плотность мобильных ионов можно определить путем измерения переходных токов, генерируемых в ЖК устройствах при приложении постоянного напряжения электрического поля. Для исключения влияния зарядного тока, вызванного переориентацией молекул ЖК, используют напряжение, величина которого ниже порога электрооптического эффекта Фредерикса. В работе (Chen W.-T., Chen P.-S., Chao C.-Yu. Effect of Doped Insulating Nano-particles on the Electro-Optical Characteristics of Nematic Liquid Crystals. Jpn. J. of Appl. Phys. 2009. V. 48. 015006) такие измерения проводили при амплитуде напряжения 1,5 В и частоте 0,5 Гц. Однако результирующий ток в этом случае мал и требует усиления, что может вызывать одновременное усиление шумов сигнала, что является недостатком этого способа.
В работе (Richard J., Goran S., Chris D., Stefaan V., F.  F. Influence of Ion Transport on Liquid Crystal Switching // J. Display Technol. 2006. V. 2. P. 237-246) приведены формулы для расчета концентрации свободных носителей заряда путем интегрирования осциллограмм токов, полученных при приложении прямоугольного импульса напряжения ниже порогового. Для оценки эффективной плотности ионов в композитной среде этого напряжения может не хватить для полного разделения носителей заряда, что понижает точность такого способа.
Наиболее близким по технической сущности и выбранный авторами за прототип является способ измерения осциллограмм токов, обусловленных переориентацией диполей молекул в ЖК ячейке (Chen H.Y., Yang K.Х., Lin Z.Y. Electrodynamic behaviour of nematic liquid crystal in a relaxation process // Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. P. 315103 (5)). Для измерения используют электрическую схему, в которой ЖК ячейка соединена последовательно с резистором и генератором напряжения. Ток, измеряют с помощью осциллографа, включенного в эту цепь параллельно. Плотность ионов оценивают с помощью интегрального уравнения силы тока в ЖК ячейке, описывающего переориентацию молекул и учитывающего ток смещения при и снятии подаче напряжения в форме прямоугольного импульса. Недостатками прототипа является точность определения эффективного значения плотности ионов, связанная с необходимостью предварительного расчета динамики распределения угла наклона директора по толщине ЖК слоя.
Технический результат заключается в повышении точности и упрощении способа определения эффективного значения плотности ионов в композитных средах на основе ЖК.
Сущность способа определения плотности мобильных ионов в композитных средах на основе жидких кристаллов, заключается в последовательном измерении нескольких осциллограмм тока стекания заряда в процессе релаксации после снятия приложенных напряжений в форме прямоугольного импульса. Далее из полученных осциллограмм путем их интегрирования по времени находят величину тока, поделив которую на объем композитной среды в ЖК ячейке определяют значения плотности ионов для каждого из приложенных напряжений. Для расчета используют следующее соотношение:
где А - площадь подложек ЖК ячейки, d - толщина ЖК слоя, e - элементарный заряд, I(t) - сила тока в ячейке при приложении прямоугольного импульса напряжения длительностью t.
Затем строят зависимость расчетных значений плотности ионов от приложенных напряжений. Максимальное значение плотности, при котором эта зависимость достигает насыщения, принимают за эффективное значение плотности ионов для данной среды.
При приложении к слою жидкого кристалла постоянного потенциала происходит разделение зарядов и часть энергии тратится на ионный ток. Токи, возникающие в ЖК ячейке при приложении напряжения, не считая момент коммутации, обусловлены тремя процессами: дрейфом ионов под действием внешнего поля, токами смещения в результате переориентации диполей молекул ЖК и диффузией ионов после снятия внешнего поля. Часть ионов при этом адсорбируется вблизи поверхности электродов, создавая двойные электрические слои, которые индуцируют внутренние электрические поля, противодействующие полю, приложенному к ЖК устройству. После снятия внешнего электрического поля внутреннее поле препятствует процессу релаксации НЖК - переориентации молекул в первоначальное положение под действием упругих сил. Токи стекания заряда включают в себя токи диффузии, а также токи, связанные с дрейфом носителей заряда под действием внутреннего поля. Таким образом, способ измерения осциллограмм токов стекания заряда, регистрируемых после снятия приложенного напряжения, позволяет учитывать общее количество ионов, участвующих как в переносе заряда в среде, так и адсорбированных на межфазной границе жидкого кристалла с ориентирующей поверхностью вблизи электродов.
Сущность заявляемого способа поясняется следующими чертежами, где на
Фиг. 1 - конструкция ЖК ячейки;
Фиг. 2 - схема измерения силы электрического тока в ЖК ячейке;
Фиг. 3 - осциллограммы изменения интенсивности света с длиной волны 0,65 мкм в процессе релаксации НЖК и силы тока в результате стекания зарядов после снятия приложенного к ячейке напряжения электрического поля в форме прямоугольного импульса;
Фиг. 4 - осциллограммы изменения силы тока в процессе релаксации жидкого кристалла после снятия приложенных напряжений в форме прямоугольного импульса с амплитудами 1 В, 5 В, 10 В и 20 В;
Фиг. 5 - сравнение осциллограмм изменения силы тока после снятия прямоугольного импульса напряжением 30 В и длительностью 300 мс, приложенного к ЖК ячейкам, заполненным чистым нематическим кристаллом (1) и композитной средой, на его основе с добавлением наночастиц CdSe/ZnS (2);
Фиг. 6 - изменение плотности ионов в зависимости от приложенного напряжения для ЖК ячейки с чистым нематическим кристаллом (1) и композитной средой на его основе с наночастицами CdSe/ZnS (2).
Предлагаемый способ определения плотности ионов может быть реализован на ЖК ячейке, представленной на фиг. 1. ЖК ячейка включает в себя две параллельные подложки 1 и 2, между которыми расположен слой жидкого кристалла 3. На каждую подложку 1 и 2 нанесен прозрачный проводящий электрод 4 и ориентирующий слой 5 для выравнивания молекул жидкого кристалла в заданном направлении. Толщина слоя жидкого кристалла 3 фиксировалась с помощью спейсеров 6.
Для измерений ионных токов используют электрическую схему, приведенную на фиг. 2. Схема включает в себя ЖК ячейку 7, последовательно соединенную с резистором 8 с известным сопротивлением и генератором напряжения 9. Токи, проходящие через резистор 8 и ЖК ячейку 7 равны. Осциллограммы токов регистрируют с помощью осциллографа 10, подключенного параллельно с резистором 8. Измерения осциллограмм проводят при приложении к ЖК ячейке 7 напряжения в форме прямоугольного импульса постоянного тока.
Фиг. 3 иллюстрирует осцилляции пропускания в слое нематического ЖК толщиной слоя 23 мкм в процессе релаксации (возвращения длинных осей молекул из вертикального в горизонтальное положение) и изменение при этом тока стекания зарядов после снятия приложенного напряжения в форме прямоугольного импульса длительностью 300 мс. Сопротивление резистора 8, включенного последовательно с ЖК ячейкой в электрическую цепь, было на порядок меньше сопротивления ЖК ячейки и соответствовало 100 кОм. Это исключает влияние измерительного резистора 8 на ток в цепи.
Осциллограммы тока стекания заряда в процессе релаксации после снятия приложенного напряжения в форме прямоугольного импульса с амплитудами 1 В, 5 В, 10 В и 20 В и длительностью около 300 мс иллюстрирует фиг. 4. Направление тока стекания заряда после снятия напряжения противоположно направлению тока при приложении напряжения, поэтому току на осциллограмме соответствуют отрицательные значения.
Сравнение осциллограмм токов стекания заряда для чистого ЖК кривая (1) и композиции этого ЖК с полупроводниковыми квантовыми точками (КТ) CdSe/ ZnS с размером ядра 3,5 нм и концентрацией 10 вес. % кривая (2) иллюстрирует фиг. 5. При добавлении КТ в ЖК стекание заряда происходит медленнее, что указывает на увеличение ионных примесей в этой композитной среде.
-3
-3
Зависимости плотности ионов от напряжения для чистого ЖК кривая (1) и его суспензии с КТ CdSe/ZnS кривая (2) показаны на фиг. 6. Значения плотности ионов рассчитывались с помощью соотношения (1), используя данные интегрирования по времени осциллограмм токов в результате стекания зарядов, после снятия приложенных напряжений в интервале от 1 В до 30 В с длительностью 300 мс. При напряжениях более 25 В зависимость (1) на фиг. 6 достигает максимума, что свидетельствует о том, что концентрация мобильных ионов практически не меняется. Плотность мобильных ионов в чистом ЖК составила ~1270 мкм. В композитной среде с КТ эффективное значение плотности ионов увеличилось в три раза, и составило 4400 мкм.
Таким образом, доказано, что заявляемый способ определения плотности мобильных ионов в композитных средах на основе нематического жидкого кристалла позволяет более точно оценить эффективное значение плотности ионов и является более простым по сравнению с ранее известными аналогами и прототипом.