CC BY
25
УДК 532.783:535.5
ФОРМИРОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК В ПОЛИМЕРНО-ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ МЕТОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ГОЛОГРАФИИ
Галина Михайловна Жаркова
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (383)330-38-96, e-mail: zharkova@itam.nsc.ru
Сергей Анатольевич Стрельцов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики, тел. (383)346-06-77, e-mail: strelczov@corp.nstu.ru
Рассмотрены свойства поляризационных голографических решеток, сформированных в полимерно-жидкокристаллических композитах в результате одноэтапного процесса записи. Показано влияние условий записи и легирования композита неорганическими наночастица-ми на эксплуатационные характеристики решеток.
Ключевые слова: жидкие кристаллы, жидкокристаллические композиты, поляризационная голография, наночастицы.
GENERATION OF THE DIFFRACTION GRATINGS IN POLYMER-LIQUID CRYSTAL COMPOSITES BY THE POLARIZATION HOLOGRAPHY METHOD
Galina M. Zharkova
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 4/1 Institutskaya St., D. Sc., Professor, chief researcher, tel. (383)330-38-96, e-mail: zharkova@itam.nsc.ru
Sergey А. Streltsov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, Ph. D., associate Professor of the Department of General Physics, tel. (383)346-06-77, e-mail: strelczov@corp.nstu.ru
The properties of polarization holographic gratings formed in polymer-liquid crystal composites as a result of a single-stage recording process are considered. The effect on the performance characteristics of the gratings of the recording and the alloying conditions of the composites by inorganic nanoparticles are shown.
Key words: liquid crystals, liquid crystal composites, polarization holography nanoparticles.
Создание новой элементной базы оптоэлектроники, в условиях развивающихся информационных технологий, предполагает разработку и исследование новых оптически активных сред. В качестве управляемых оптически активных элементов перспективны поляризационные голографические решетки, записанные в полимерно-жидкокристаллических композитах (ЖК-композитах) [1-3].
Поляризационные голографические решетки формируются в слое фоточувствительного ЖК-композита при разделении фаз нематический жидкий кристалл (НЖК) - полимер в процессе фотополимеризации, вызванной светом суперпозиции двух плоских когерентных волн с взаимно ортогональными поляризациями. В этом случае модуляция интенсивности света отсутствует, а изменение разности фаз между интерферирующими волнами приводит только к изменению поляризационного состояния результирующего светового поля. В результате формируется решетка с повторяющимися ориентациями молекул НЖК в полимерных капсулах.
Эксплуатационные характеристики и эффективность управления свойствами сформированных решеток определяются физическими свойствами НЖК, особенностями надмолекулярной структуры решетки, условиями записи, составом исходной композиции. На анизотропные свойства НЖК влияет температура и внешнее электрическое поле, поэтому вызывает интерес термооптическое и электрооптическое переключение таких решеток. При голографиче-ском способе записи решеток в ЖК-композитах формируется среда с развитой поверхностью межфазных границ. Это приводит к повышению величины управляющего поля, необходимого для переориентации молекул ЖК в решетке. Поэтому исследования по улучшению электрооптических характеристик ЖК-композитов важны для их практического использования.
Основным параметром, определяющим эти характеристики, является состав исходного ЖК-композита. Способ модификации состава ЖК-композита путем введения в него малоразмерных неорганических частиц, получил широкое применение [3]. Выбор частиц определяется их способностью влиять на физические свойства полимерной матрицы и ЖК, а также на свойства поверхности межфазных границ ЖК-полимер.
Поэтому целью работы было исследование влияния условий записи и легирования исходной композиции неорганическими наночастицами на эксплуатационные характеристики решеток.
При формировании ЖК-композита использовалась композиция, которая включала мономер пентаэритритол тетраакрилат (пп = 1,487), связующий компонент, а также фотоинициирующую систему, содержащую краситель и соини-циатор. В качестве жидких кристаллов использовались BL087 (п0 = 1.527, пе = 1.797, Де > 0, Тм = 100 C ), BL038 (по = 1.527; пе = 1.799; Де > 0; Тш = 100 О) или Е7 (п0 = 1.521, пе = 1.746, Де > 0, Тм = 61 0С), где пп показатель преломления полимера, п0, пе -показатели преломления жидких кристаллов для обыкновенного и необыкновенного лучей, Тм1 — температура перехода жидких кристаллов в изотропную жидкость, Де - диэлектрическая анизотропия. Концентрация НЖК в исходной композиции была равна 37 масс.%, концентрация красителя -0,3 масс.%. Нанопорошки SiO2, /пО, А12О3, У2О3. использовались как добавки, концентрация которых не превышала 0,1 масс. %. Исходная смесь реагентов с наночастицами тщательно перемешивалась механически и с помощью ультразвуковой обработки и затем вносилась в экспериментальную ячейку. Далее образец освещался пучком света, представляющим суперпозицию двух когерент-
ных волн равной интенсивности с взаимно ортогональными поляризациями (X = 658 нм).
Изменяя состав исходной композиции и режим формирования решетки можно регулировать кинетику фотополимеризации и фазового разделения компонентов, тем самым влиять на надмолекулярную структуру композита и на свойства формируемой решетки. Наибольшее влияние на морфологию сформированного композита оказывают: а) соотношение НЖК - полимер в исходной композиции; б) энергия экспозиции; с) температура.
Исследование влияния концентрации НЖК в композиции на дифракционную эффективность (ДЭ) показало, что решетки с лучшей эффективностью формируются в достаточно узком концентрационном интервале НЖК (35-38 %), отклонение от которого приводит к заметному ухудшению их качества (рис. 1).
На рис. 2 представлена зависимость ДЭ поляризационной голографической решетки, сформированной в ЖК-композите, от плотности энергии записи для решетки с пространственной частотой 34 мм-1.
Рис. 1. Зависимость ДЭ решеток от концентрации НЖК в исходной композиции
Рис. 2. Зависимость ДЭ решеток от плотности энергии записи:
1 - толщина 10 мкм; 2 - 20 мкм; 3 - 50 мкм
Видно, что с увеличением энергии записи наблюдается рост ДЭ до величины ~3 %, затем рост замедляется и наступает насыщение при п = 3,5 % (для образца толщиной 20 мкм). Пороговая энергия записи, соответствующая дифракционной эффективности 1 %, составляет 0,65 Дж/см2. Полная энергия записи, при которой достигается максимум дифракционной эффективности, равна 2,5 Дж/см2. Толщина образца влияет на эти значения.
Процесс фазового разделения при формировании поляризационной решетки чувствителен к температуре. С ростом температуры уменьшается вязкость НЖК и мономера. В результате чего лучше и быстрее происходит разделение фаз НЖК-полимер.
На рис. 3 представлена зависимость дифракционной эффективности поляризационных голографических решеток от температуры формирования решетки
(для диапазона температур - от комнатной до температуры перехода НЖК в изотропную жидкость Тш). Видно, что максимальная ДЭ достигается при температурах формирования 35-45 оС. Видимо это тот диапазон температур, при котором гармонично протекают процессы полимеризации, разделения фаз НЖК-полимер и ориентации НЖК под действием результирующего светового поля.
Используя температурную зависимость оптической анизотропии ЖК, можно управлять дифрагировавшим излучением. При температуре перехода ЖК в изотропное состояние оптическая анизотропия исчезает, происходит переход решетки из рассеивающего состояния в прозрачное. Это термооптическое переключение решетки в состояние, когда она «стирается». На рис. 4 представлена зависимость ДЭ поляризационных решеток от температуры.
Рис. 3. Зависимость ДЭ решеток от температуры формирования
Рис. 4. Термооптическое переключение решетки
Из рисунка видно, что с ростом температуры ДЭ снижается и при температурах, превышающих 80 оС дифракционные свойства решетки исчезают, т. е. НЖК переходит в изотропную жидкость. При охлаждении решетки ее дифракционные свойства восстанавливаются с небольшим гистерезисом.
Температура фазового перехода НЖК в решетках заметно меньше, чем для чистого НЖК, используемого в исходной композиции. Это обусловлено загрязнением НЖК веществами, входящими в исходную композицию.
Легирование композита наночастицами сохраняет тенденцию к снижению Тм. Самая низкая температура фазового перехода наблюдалась у решеток, содержащих SiO2. Кроме того, легирование наночастицами оказывает влияние на ДЭ решеток и их электрооптические характеристики. Для всех использованных систем, за исключением ЖК- композитов с SiO2, присутствие частиц увеличивает ДЭ решеток. Для Y2Oз, Л12О3 эффект наблюдался уже при концентрации 0,05 масс.% (рис. 5). Этот факт дает основание полагать, что наночастицы преимущественно локализованы в полимере и распределены в нем более ^2О3, Л12О3) или менее (7пО) равномерно. Решетки, содержащие наночастицы SiO2, характеризуются заметным светорассеиванием. Возможно это связано с тем,
что в капли НЖК попадает больше наночастиц SiO2 по сравнению с другими исследованными системами, что приводит к нарушению структуры НЖК в каплях и более низкой температуре фазового перехода Гм. Легирование частицами БЮ2 приводит к повышению управляющих полей, а для образцов, содержащих наночастицы ZnO, Y2Oз, Л12О3, управляющее электрическое поле уменьшается (рис. 6). Это может быть связано с изменением диэлектрических свойств полимерной матрицы (из-за присутствия в ней наночастиц), с изменением анизотропии диэлектрической проницаемости и вязкоупругих свойств системы, что может привести к изменению эффективного электрического поля, приложенного к ЖК-капсулам.
ч
0,1
я Р о
О
0,05
м
Ш А1203
У203 БЮ,
0,00
0,05
0,10
Концентрация, %
Рис. 5. Влияние концентрации наночастиц на ДЭ решеток
Рис. 6. Зависимость ДЭ решеток, содержащих наночастицы (0,1 %), от внешнего поля (НЖК BL038)
Таким образом, ДЭ записанных поляризационных решеток зависит от энергии записи решетки, температуры ее формирования, концентрации НЖК в исходной композиции. Оптическими свойствами поляризационных голографических решеток можно управлять электрическим и тепловым полями. В решетках температура фазового перехода НЖК заметно ниже чем для чистого НЖК, что связано с наличием в решетке компонентов исходной композиции. Экспериментально доказано, что даже небольшие концентрации наночастиц ZnO, Y2Oз, Л12О3, БЮ2 в композитном материале способны привести к заметным эффектам. Увеличивается ДЭ сформированных решеток, за исключением решеток, содержащих наночастицы SiO 2. Легирование нано-частицами оказывает влияние на электрооптические характеристики ЖК-ком-позитов. Введение наночастиц SiO2 приводит к повышению управляющих полей, а наночастиц ZnO, Y2Oз, Л12О3 к уменьшению. Для объяснения различного влияния наночастиц на характеристики решеток необходимо провести исследования процессов диффузии и фазового разделения в ЖК-компози-тах в присутствии частиц.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Cipparrone G., Mazzulla A., Russo G. Diffraction gratings in polymer-dispersed liquid crystals recorded by means of polarization holographic technique // Appl. Phys. Lett. - 2001. -Vol. 78, No 9. - P. 1186-1188.
2. Electrooptical properties of polarizations holographic gratings formed in liquid-crystal composites / G. M. Zharkova, S. A. Streltsov, A. P. Petrov, V. M. Khachaturyan // High Energy Chemistry. - 2009. - Vol. 43, № 7. - P. 529-531.
3. Polarization holograms in azo dye-doped polymer dissolved liquid crystal composites / H. Ono, F. Takahashi, A. Emoto et al. // J. of Appl. Phys. - 2005. - Vol. 97. - P. 053508.
© Г. М. Жаркова, С. А. Стрельцов, 2017
