CC BY
91
УДК 53.082
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
© Романов Николай Александрович, аспирант кафедры экспериментальной и теоретической физики Бурятского государственного университета
Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: nromanovv@mail.ru
© Номоев Андрей Валерьевич, доктор физико-математических наук, лаборатория физики нано-систем Бурятского государственного университета, заведующий лабораторией физики композитных материалов Института физического материаловедения СО РАН
Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а; Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail: nomoevav@mail.ru
© Калашников Сергей Васильевич, аспирант кафедры экспериментальной и теоретической физики Бурятского государственного университета
Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: betch_kail@mail.ru
Статья посвящена разработке экспериментальной установки для измерения электрооптических свойств жидких кристаллов. Представлены краткие результаты экспериментов, проведенных на данной установке, описаны принципы работы установки. Проведены эксперименты по изучению допирования наночастицами жидкокристаллических пленок. Установлено, что добавление металлических наночастиц Ag, Cu и янус-подобных наночастиц TaSi2/Si, Ag/Si почти вдвое уменьшает времена отклика жидких кристаллов. Ключевые слова: установка, жидкие кристаллы, электрооптика, наночастицы, лазерный пучок, допирование.
APPARATUS FOR MEASURING ELECTRO-OPTICAL PROPERTIES OF LIQUID CRYSTALS
Romanov Nikolay Al., postgraduate, Department of Experimental and Theoretical Physics, Buryat State University
24a, Smolina, Ulan-Ude, 670000, Russia
Nomoev Andrey V., Doctor of Physics and Mathematics Sciences, Chief Researcher of Nanosystems laboratory, Buryat State University
24a, Smolina, Ulan-Ude, 670000, Russia; 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Kalashnikov Sergey V., postgraduate, Department of Experimental and Theoretical Physics, Buryat State
University
24a, Smolina, Ulan-Ude, 670000, Russia
The article is devoted to the development of the experimental setup to measure electro-optic properties of liquid crystals. Brief results of the experiments conducted in this installation are given, the principles of its operation are described. Experiments were performed to study the doping of nanoparticles at liquid-crystalline films. We found that the addition of metal nanoparticles of Ag, Cu, and Janus-like nanoparticles TaSi2/Si, Ag/Si reduces response times of liquid crystals almost by half.
Keywords: apparatus, liquid crystals, electrooptics, nanoparticles, laser beam, doping
Разработка новых устройств и методов, позволяющих точно вычислять свойства материалов, является одной из приоритетных задач в экспериментальной физике. Актуальность исследования определяется широким использованием жидких кристаллов на практике и необходимостью изучения их свойств с помощью регистрирующих приборов.
Целью работы являются разработка экспериментальной установки для измерения электрооптических свойств жидких кристаллов (ЖК) и проведение опытных измерений.
Описание установки. Экспериментальная установка исследования электрооптических свойств жидких кристаллов работает следующим образом: жидкие кристаллы расположены в ячейке, представляющей собой две плоскопараллельные пластины с напыленными на них токопроводящими покрытиями (ITO - стекла), к которым прикладывается импульсное напряжение от электрической системы. Лазерный пучок с длиной волны 658 нм освещает образец перпендикулярно к его поверхности. Прошедший через образец пучок попадает в собирающую линзу и далее в приемную систему фототранзистора. Сигнал подается на двухканальный осциллограф. Система подачи импульсов состоит из
генератора импульсов, на котором задаются их частота и скважность, и усилителя ЛАТР, задающего амплитуду импульса (0-320 В). Сигнал с выхода усилителя подается на образец. Проверяемые экспериментальные образцы решеток нематических жидких кристаллов (НЖК) формируются на исходной смеси, которая заключена между 2-х стекол, покрытых токопроводящим покрытием. Электрическое поле создается перпендикулярно поверхности стекол. Регистрируя подачу импульсного напряжения на ячейку и сигнал с фототранзистора, можно судить о времени задержки открытия и закрытия жидких кристаллов. По величине сигнала с фототранзистора можно определить прозрачность жидких кристаллов в открытом и закрытом состояниях. Внешний вид установки приведен на рис. 1. Структурная схема отображена на рис. 2.
Электрическая система экспериментальной установки состоит из нескольких модулей: модуля питания фототранзистора, коммутатора сигнала на ЖК-ячейку, собственно ЖК-ячейки, генератора электрических сигналов, двухканального осциллографа, автотрансформатора, делителя напряжения.
Модуль питания фототранзистора служит для обеспечения работы последнего, а также обеспечивает подачу импульсов с него на осциллограф. Внутренняя схема модуля задает необходимую крутость кривой спада напряжения при падении освещенности фототранзистора. Коммутатор сигнала представляет собой блок, который подает регулируемое в широких пределах электрическое напряжение на ЖК-ячейку в соответствии с подаваемым на него сигналом от генератора. Обеспечивает крутость фронта напряжения, как подаваемого тока, так и его спада путем снятия заряда с ячейки, что определяет прямоугольный меандр на ее обкладках. Автотрансформатор позволяет регулировать в широких пределах напряжение, подаваемое на ЖК-ячейку через коммутатор сигнала. Делитель уменьшает напряжение, подаваемое на него от ЖК-ячейки, на входе в осциллограф в 10 раз.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки
Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки для измерения электрооптических характеристик
решеток нематических жидких кристаллов
Оптическая система экспериментальной установки. Все оптические элементы системы расположены на жесткой оптической скамье и юстируются плавным перемещением в разных плоскостях.
На рис. 3 приведена схема оптической системы экспериментальной установки. Источником света является полупроводниковый лазер (1), излучающий в красной области спектра. Далее световой луч проходит через ячейку с жидкими кристаллами (2). Так как лазерный луч при проходе через ячейку несколько рассеивается, то для его фокусировки на кристалле фототранзистора (4) установлен объектив (3), представляющий собой собирающую двояковыпуклую просветленную линзу. Для исключения попадания на фототранзистор постороннего света на нем имеется протяженный тубус. Для юстировки основные элементы оптической системы закреплены на плавно регулируемых штативах.
Отличительной особенностью установки от существующих аналогов является применение схемы с коммутацией сигнала с оптотранзисторами, что обеспечивает гальваническую развязку цепи управления (генератора) и ячейки жидких кристаллов. Для крутости кривой напряжения в схеме предусмотрена система снятия заряда с ячейки ЖК, выполненная также на оптотранзисторе.
Рис. 3. Схема оптической системы экспериментальной установки
ПВА - полимер поливинилацетат используется при изготовлении полимерно-дисперсных жидкокристаллических пленок (ПДЖК).
Таблица
Зависимость оптовременных свойств ПДЖК-пленок от частоты подаваемого напряжения
Образец Напряжение Частота Т ОПШ ТоЙ"Ш!
5СВ+ПВА (контрольный) 150 10 0,2 10
150 25 0,2 10
150 50 0,2 10
5CB+ПBA+Ag(1 %) 150 10 0,2 8
150 25 0,2 8
150 50 0,2 7
5СВ+ПВ А+Си(1 %) 150 10 0,2 8
150 25 0,2 8
150 50 0,2 8
5СВ+ПВА+Та(1 %) 150 10 0,2 40
150 25 0,2 32
150 50 0,2 25
5СВ+ПВА+Б1(1 %) 150 10 0,2 28
150 25 0,2 26
150 50 0,2 22
5СВ+ПВА+8Ю2(1 %) 150 10 0,2 20
150 25 0,2 18
150 50 0,2 15
5СВ+ПВА+Та812/81 (1 %) 150 10 0,4 6
150 25 0,4 6
150 50 0,4 4
5CB+ПBA+Ag/Si 150 10 0.4 7
150 25 0,4 7
150 50 0,4 5
Рис. 4. Осциллограммы ЖК-пленок с добавлением наночастиц ТаБ12/В1 при частоте подаваемого напряжения:
(а) 10 Гц, (б) 25 Гц, (в) 50 Гц
Рис. 5. Изображения янус-подобных наночастиц ТаВ12/В1, полученные с помощью просвечивающей микроскопии
В отличие от аналогов, установка позволяет совместно с измерителем емкости вычислять диэлектрическую анизотропию ЖК-пленок [1]. Наличие ручного режима открытия ЖК-ячейки позволяет юстировать установку, оптическая система допускает быструю замену ячеек.
Результаты, полученные на экспериментальной установке. На разработанной установке мы смогли измерить изменения оптовременных свойств жидких кристаллов 4-н-пентил-4-цианбифенил (5СВ) в связи с введением наночастиц, полученных методом газофазного синтеза [2], и пронаблюдать изменения линий осциллограммы в ЖК-пленках в зависимости от подаваемой частоты напряжения. На рис. 4 отображены осциллограммы опытных образцов.
В табл. представлены данные по изменению времен релаксации ЖК-пленок с добавлением наночастиц в зависимости от подаваемой частоты напряжения, где Топ и То£Г представляют собой времена включения и выключения жидких кристаллов. Численно определены времена включения и выключения жидких кристаллов. Экспериментально выявлено, что введение металлических наночастиц и наночастиц янус-подобного типа в ПДЖК-пленки, способствует сокращению времен отклика данных пленок.
С помощью установки проведены эксперименты по изучению допирования наночастицами ЖК-пленок. Было установлено, что добавление металлических наночастиц Ag, Cu и янус-подобных нано-частиц TaSi2/Si, Ag/Si почти вдвое уменьшают времена отклика жидких кристаллов. Лучший результат показали наночастицы TaSi2/Si [3]. При их добавлении времена релаксации жидких кристаллов снизились с 10 милисекунд до 4 милисекунд. На рис. 5 показаны снимки TaSi2/Si, полученные с помощью просвечивающей микроскопии.
Выводы
Разработана экспериментальная установка для изучения ЖК-систем с добавлением наночастиц.. Описаны принципы работы установки. С помощью установки проведены эксперименты по изучению допирования наночастицами ЖК-пленок. Было установлено, что добавление металлических наночастиц Ag, Cu и янус-подобных наночастиц TaSi2/Si, Ag/Si почти вдвое уменьшает времена отклика жидких кристаллов.
Литература
1. Faten A. H., Ahmed A. A., Noruh A. S., Fowzia A., Fahrettin Y. Dielectric anisotropy properties of nanostracture metal oxide semiconductor and 4-4'-n-pentylcyanobiphenyl based on nano-nematic composite systems // J. of Molecular Liquids. -2014. - № 190. - P. 169-173.
2. Получение нанопорошков различных материалов испарением исходных материалов на ускорителе электронов / С. П. Бардаханов [и др.] // Нанотехнологии и наноматериалы. - Улан-Удэ, 2007. - С. 3-10.
3. Романов Н. А., Номоев А. В., Иванцова С. И. Механизм образования янус-подобных наночастиц TaSi2@Si // Молодой ученый: сб. ст. - 2012. - № 8(43). - С. 7-9.
References
1. Faten A. H., Ahmed A. A., Noruh A. S., Fowzia A, Fahrettin Y. Dielectric anisotropy properties of nanostructure metal oxide semiconductor and 4-4'-n-pentylcyanobiphenyl based on nano-nematic composite systems. J. of Molecular Liquids. 2014. No. 190. Pp. 169-173.
2. Bardakhanov S. P., Korchagin A. I., Kuksanov N. K. et al. Poluchenie nanoporoshkov razlichnykh materialov ispareniem iskhodnykh materialov na uskoritele elektronov [Receipt of nanopowders from various materials by evaporation of source materials on electron accelerator]. Nanotekhnologii i nanomaterialy-Nanotechnology andnanomaterials. Ulan-Ude. 2007. Pp. 3-10.
3. Romanov N. A., Nomoev A. V., Ivantsova S. I. Mekhanizm obrazovaniya yanus-podobnykh nanochastits [The mechanism of Janus-like nanoparticles TaSi2@Si formation]. Molodoi uchenyi - Young Scientist. 2012. No. 8 (43). Pp. 7-9.
