Помощь студентам в учебе
Нелинейная низкочастотная импедансная спектроскопия нематического жидкого кристалла
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Введение в жидкие кристаллы 10
Е Е1 Классификация жидких кристаллов 10
1.1.2 Жидкокристаллическая смесь Е7 13
1.2 Свободная энергия нематического жидкого кристалла 14
1.2.1 Упругая свободная энергия НЖК 15
1.2.2 Электрическая свободная энергия НЖК 17
1.2.3 Поверхностная свободная энергия НЖК 19
1.2.4 Ионная свободная энергия НЖК 20
1.3 Переход Фредерикса для планарной ЖК ячейки 21
1.4 Диэлектрическая релаксация жидких диэлектриков 23
1.4.1 Релаксация Дебая 24
1.4.2 Релаксация Коула-Коула 26
1.4.3 Релаксация Гаврильяка-Негами 27
1.4.4 Релаксация Дэвидсона-Коула 28
1.4.5 Релаксация Фаусса-Кирквуда 29
1.5 Классическая импедансная спектроскопия 30
1.6 Нелинейная импедансная спектроскопия 34
1.7 Нелинейная диэлектрическая релаксация 38
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 46
2.1 Изготовление жидкокристаллической ячейки 46
2.1.1 Структура жидкокристаллической ячейки 46
2.1.2 Обработка стеклянных подложек 46
2.1.3 Распределение спейсеров по подложке 47
2.1.4 Сборка жидкокристаллической ячейки 48
2.2 Измерение толщины жидкокристаллической ячейки 49
2.2.1 Спектральный метод измерения толщины зазора ячейки 50
2.2.2 Ёмкостной метод определения толщины зазора ячейки 52
2.3 Дифференциальная сканирующая калориметрия 54
2.3.1 Метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК)... 54
2.3.2 Система термического анализа Linkam DSC600 55
2.3.3 Фазовые переходы в жидкокристаллической смеси Е7 56
2.3.4 Определение Энтальпии фазового перехода 58
2.4 Измерение нелинейных спектров иммитанса 61
2.4.1 Импедансный спектрометр novocontrol beta 61
2.4.2 Температурный столик Linkam THMS600 62
2.4.3 Спектры иммитанса нематического жидкого кристалла 63
2.4.4 Нелинейные спектры высших гармоник иммитанса нематической
фазы жидкого кристалла 70
2.4.5 Нелинейные спектры высших гармоник иммитанса изотропной
фазы жидкого кристалла 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
ВВЕДЕНИЕ 8
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Введение в жидкие кристаллы 10
Е Е1 Классификация жидких кристаллов 10
1.1.2 Жидкокристаллическая смесь Е7 13
1.2 Свободная энергия нематического жидкого кристалла 14
1.2.1 Упругая свободная энергия НЖК 15
1.2.2 Электрическая свободная энергия НЖК 17
1.2.3 Поверхностная свободная энергия НЖК 19
1.2.4 Ионная свободная энергия НЖК 20
1.3 Переход Фредерикса для планарной ЖК ячейки 21
1.4 Диэлектрическая релаксация жидких диэлектриков 23
1.4.1 Релаксация Дебая 24
1.4.2 Релаксация Коула-Коула 26
1.4.3 Релаксация Гаврильяка-Негами 27
1.4.4 Релаксация Дэвидсона-Коула 28
1.4.5 Релаксация Фаусса-Кирквуда 29
1.5 Классическая импедансная спектроскопия 30
1.6 Нелинейная импедансная спектроскопия 34
1.7 Нелинейная диэлектрическая релаксация 38
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 46
2.1 Изготовление жидкокристаллической ячейки 46
2.1.1 Структура жидкокристаллической ячейки 46
2.1.2 Обработка стеклянных подложек 46
2.1.3 Распределение спейсеров по подложке 47
2.1.4 Сборка жидкокристаллической ячейки 48
2.2 Измерение толщины жидкокристаллической ячейки 49
2.2.1 Спектральный метод измерения толщины зазора ячейки 50
2.2.2 Ёмкостной метод определения толщины зазора ячейки 52
2.3 Дифференциальная сканирующая калориметрия 54
2.3.1 Метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК)... 54
2.3.2 Система термического анализа Linkam DSC600 55
2.3.3 Фазовые переходы в жидкокристаллической смеси Е7 56
2.3.4 Определение Энтальпии фазового перехода 58
2.4 Измерение нелинейных спектров иммитанса 61
2.4.1 Импедансный спектрометр novocontrol beta 61
2.4.2 Температурный столик Linkam THMS600 62
2.4.3 Спектры иммитанса нематического жидкого кристалла 63
2.4.4 Нелинейные спектры высших гармоник иммитанса нематической
фазы жидкого кристалла 70
2.4.5 Нелинейные спектры высших гармоник иммитанса изотропной
фазы жидкого кристалла 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
Жидкие кристаллы — это материалы с уникальными свойствами, которые сочетают в себе как свойства жидкого, так и твердого кристаллического тела. К таким свойствам относятся: текучесть, оптическая, электрическая и магнитная анизотропия, возможность изменения пространственной ориентации под действием электрического поля [1]. Сочетание этих свойств сделало возможным их использование в различных областях науки и техники. Среди них гибкие дисплеи [2], оконные дисплеи и переключаемые окна [3,4], фотонные кристаллографические волокна [5], жидкокристаллические активные устройства Tamm-Plasmon [6], бистабильные устройства переключения цвета [7]. Жидкие кристаллы также удалось применить для очистки воды в качестве материала мембранных фильтров следующего поколения [8], самоорганизованных жидкокристаллических наноструктурных мембран [9], молекулярных сит [10], фильтров на основе лиотропных жидких кристаллов [11,12], а также для фильтрации воды от микроорганизмов и вирусов [13].
Создание разнообразных устройств на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря детальному изучению физических свойств жидких кристаллов. Важную роль при разработке устройств играет изучение электрических свойств жидких кристаллов, которые были подробно изучены методами импедансной [14] и диэлектрической спектроскопии [15,16,17].
Расширить потенциал данных методов возможно применив методы нелинейной импедансной и диэлектрической спектроскопии высших гармоник.
На данный момент методом нелинейной диэлектрической спектроскопии изучены сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические кристаллы находящиеся в смектических фазах С и А [18-20]. Существует несколько подходов при теоретическом описании дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости СЖК на высших гармониках основанных на уравнениях коллективного молекулярного движения [21-26], учете нелинейности при записи вектора электрического смещения как суперпозиция поляризаций [27,28], а также феноменологическом подходе Ландау [29-32].
Анализ литературы показывает, что исследование нематического жидкого кристалла методом нелинейной спектроскопии иммитанса высших гармоник отсутствует.
Таким образом, цель настоящей работы - исследование нематического жидкого кристалла методами нелинейной импедансной и диэлектрической спектроскопии высших гармоник.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Изготовить нематические жидкокристаллические ячейки с планарной, гомеотропной и неориентированной структурой.
2. Определить температуру фазового перехода нематик-изотропная фаза ЖК.
3. Измерить спектры комплексного иммитанса данных ячеек в нематической и изотропных фазах.
4. Измерить спектры иммитанса первой, второй и третей гармоники данных ячеек.
5. Проанализировать полученные результаты и определить факторы влияющие на их параметры.
Создание разнообразных устройств на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря детальному изучению физических свойств жидких кристаллов. Важную роль при разработке устройств играет изучение электрических свойств жидких кристаллов, которые были подробно изучены методами импедансной [14] и диэлектрической спектроскопии [15,16,17].
Расширить потенциал данных методов возможно применив методы нелинейной импедансной и диэлектрической спектроскопии высших гармоник.
На данный момент методом нелинейной диэлектрической спектроскопии изучены сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические кристаллы находящиеся в смектических фазах С и А [18-20]. Существует несколько подходов при теоретическом описании дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости СЖК на высших гармониках основанных на уравнениях коллективного молекулярного движения [21-26], учете нелинейности при записи вектора электрического смещения как суперпозиция поляризаций [27,28], а также феноменологическом подходе Ландау [29-32].
Анализ литературы показывает, что исследование нематического жидкого кристалла методом нелинейной спектроскопии иммитанса высших гармоник отсутствует.
Таким образом, цель настоящей работы - исследование нематического жидкого кристалла методами нелинейной импедансной и диэлектрической спектроскопии высших гармоник.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Изготовить нематические жидкокристаллические ячейки с планарной, гомеотропной и неориентированной структурой.
2. Определить температуру фазового перехода нематик-изотропная фаза ЖК.
3. Измерить спектры комплексного иммитанса данных ячеек в нематической и изотропных фазах.
4. Измерить спектры иммитанса первой, второй и третей гармоники данных ячеек.
5. Проанализировать полученные результаты и определить факторы влияющие на их параметры.
В данной работе были исследованы нелинейные низкочастотные спектры иммитанса нематической жидкокристаллической смеси Е7 на высших гармониках.
Таким образом, для достижения поставленной цели, выполнены следующие задачи:
1. Литературный обзор показал, что исследование нематического жидкого кристалла методом нелинейной импедансной спектроскопии отсутствует.
2. Изготовлены нематические жидкокристаллические ячейки с
планарной, гомеотропной и неориентированной структурой.
3. Температура фазового перехода нематик-изотропная фаза определялась методом сканирующей дифференциальной калориметрии (ДСК). Фазовый переход нематик-изотропная фаза произошел при температуре Тм=63,8°С.
4. Измерены спектры комплексного импеданса данных ячеек в нематической и изотропных фазах при температурах 25 °C и 80 °C соответственно. Из спектров импеданса получены и проанализированы спектры комплексной диэлектрической проницаемости и проводимости.
5. Впервые получены и проанализированы нелинейные спектры комплексного иммитанса для планарной, гомеотропной и неориентированной НЖК ячейки.
Таким образом из анализа результатов измерения можно сделать следующие выводы:
1. Осциллирующее напряжение, при котором начинает наблюдаться нелинейность на 3-ей гармоники спектров иммитанса от частоты, лежит в промежутке от 0,5 до 1 В. С дальнейшем повышением напряжения нелинейность на 3 гармонике растет.
2. Нелинейные спектры иммитанса нематической фазы жидкого кристалла в низкочастотной области содержат только нечетные гармоники. Присутствие нечетных гармоник свидетельствует о независимости ионных процессов от
знакопеременного поля.
3. Нелинейные спектры иммитанса изотропной фазы содержат и четные и нечетные гармоники.
4. Спектры иммитанса 3 гармоники планарной и гомеотропной ячейки мало отличаются друг от друга, но заметно отличаются от неориентированной ячейки, предположительно, это связано с отсутствием полимерного слоя в неориентированной ячейке.
Таким образом, для достижения поставленной цели, выполнены следующие задачи:
1. Литературный обзор показал, что исследование нематического жидкого кристалла методом нелинейной импедансной спектроскопии отсутствует.
2. Изготовлены нематические жидкокристаллические ячейки с
планарной, гомеотропной и неориентированной структурой.
3. Температура фазового перехода нематик-изотропная фаза определялась методом сканирующей дифференциальной калориметрии (ДСК). Фазовый переход нематик-изотропная фаза произошел при температуре Тм=63,8°С.
4. Измерены спектры комплексного импеданса данных ячеек в нематической и изотропных фазах при температурах 25 °C и 80 °C соответственно. Из спектров импеданса получены и проанализированы спектры комплексной диэлектрической проницаемости и проводимости.
5. Впервые получены и проанализированы нелинейные спектры комплексного иммитанса для планарной, гомеотропной и неориентированной НЖК ячейки.
Таким образом из анализа результатов измерения можно сделать следующие выводы:
1. Осциллирующее напряжение, при котором начинает наблюдаться нелинейность на 3-ей гармоники спектров иммитанса от частоты, лежит в промежутке от 0,5 до 1 В. С дальнейшем повышением напряжения нелинейность на 3 гармонике растет.
2. Нелинейные спектры иммитанса нематической фазы жидкого кристалла в низкочастотной области содержат только нечетные гармоники. Присутствие нечетных гармоник свидетельствует о независимости ионных процессов от
знакопеременного поля.
3. Нелинейные спектры иммитанса изотропной фазы содержат и четные и нечетные гармоники.
4. Спектры иммитанса 3 гармоники планарной и гомеотропной ячейки мало отличаются друг от друга, но заметно отличаются от неориентированной ячейки, предположительно, это связано с отсутствием полимерного слоя в неориентированной ячейке.