CC BY
18
УДК 620.1.72:532.783
ВИЗУАЛИЗВАЦИЯ ПОТОКА НЕМАТИКА В ОКРЕСТНОСТИ ДЕФЕКТА ДИЭЛЕКТРИКА В СТРУКТУРЕ 81/8Ю2/НЕМАТИК/ЭЛЕКТРОД
С.И. Кучеев, Н.В. Малай, Ю.С. Тучина
Белгородский государственный университет, ул. Победы 85, Белгород, 308015, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. Исследуется поведение нематического жидкого кристалла в окрестности де-
2
чееком поле. Показано, что поток жк материала в окрестности дефекта, обусловленный ионным током, вызывает изменение ориентации ориентированного нематика, и визуализируется в поляризованном свете в виде концентрических интерференционных колец с крестообразным полем погашения света.
2 2
ря уникальным электрическим свойствам границы [1]. При этом, некоторые типы дефектов
2
кремния, при условии их низкой концентрации на поверхности, представляют собой значительные трудности при обнаружении их высокоразрешающими методами контроля, такими как, например, растровая электронная и атомная силовая микроскопии. Поэтому требуются более простые экспресс-методы предварительного картирования поверхности, когда на сравнительно большой площади исследуемой поверхности, фактически методами низкого разрешения
2
сокоразрешающими методами. В качестве одного из таких методов картирования может рассматриваться метод основанный на электрооптичееких свойствах жидких кристаллов (жк). Благодаря вязко упругим свойствам жк материалов, локальные возмущения, обусловленные микроскопическими дефектами (или другими локальными причинами) сопровождаются изменением ориентации молекул жк в большем масштабе, и вследствие двулучепреломления, могут быть оптически зарегистрированы, т.е. другими словами, реализуется принцип «оптического усиления». Для дефектов типа не окисленной поверхности, возмущающими жк факторами могут служить неоднородное электрическое поле в окрестности не изолированной диэлектриком поверхности кремния и (или) локальный сквозной ионной ток через слой жк, формирующийся благодаря инжекции электронов [2|.
В ряде работ было показано, что деформация нематика в окрестности дефектов диэлектрической пленки имеет место только при отрицательной полярности приложенного к ячейке напряжения относительно кремниевой подложки. При этом в основу предложенных моделей поведения жк в области деформации были положены эффект динами чеекого рассеяния света [3], полевые эффекты обусловленные накоплением ионного заряда |4|, флекеоэлектричеекий эффект [5]. В настоящем сообщении мы указываем, что сквозной локальный ионный ток, протекающий через слой жк, приводит к деформации ориентированного нематика благодаря ориентации молекул жк в потоке.
I ТО
I I I I,1 1.1 I 4}
I 11 I I 1 I М
а
Рис. 1. Сечение жк ячейки (не в масштабе).
£) — дефект диэлектрической пленки БЮ2 на Бь
На рис. 1 схематически представлено сечение жк ячейки использованной в работе. В качестве подложки использовался монокриеталличеекий кремний р-типа проводимости (удельное сопротивление 4,5 Ом-см) с пленкой окиси кремния БЮ2 толщиной 350 мкм. Гомеотропная ориентация нематического жидкого кристалла 5СВ (Монокристалллреактив, Харьков) достигалась обработкой раствором лецитина в толуоле обоих поверхностей прозрачного электрода
2
с помощью фторопластовых прокладок. Наблюдение проводилось в поляризационный микроскоп со скрещенными поляризаторами.
Деформация нематика, при действии соответствующей величины напряжения, начинает регистрироваться в виде светлой кольцевой полосы с крестообразным полем погашения, рис. 2а. «Крест» гашения света связан с поглощением света поляризаторами. Он показывает, что распределение ориентации молекул аксиально симметричное с осью, проходящей через дефект, при этом изменение ориентации молекул лежат в плоскостях, перпендикулярных плоскости ячейки.
к* •
Рис. 2. Деформация нематика в окрестности дефекта. 11-краеное интерференционное кольцо. Напряжение, В: а 4; Ь 4,4; с 4,7; ё 7,3. Толщина жк слоя 50 мкм.
Обращает внимание на себя факт, что кольцевая деформация .локализована на заметном удалении от самого дефекта, который расположен в центре области деформации. Последнее косвенно указывает на не определяющую роль электрического поля в механизме описываемого электрооптичеекого эффекта. Согласно геометрии ячейки, рис. 1, электрическое поле максимально в центре и начальное просветление поля зрения ожидалось бы также ближе к центру.
На начальных стадиях деформации, рис. 2а, светлое кольцо не имеет цветной окраски, которая является признаком интерференции поляризованного света. Окрашенные интерференционные кольца появляются далее с увеличением напряжения, рис. 2 Ь-ё. Сначала появляется одно кольцо (И), месторасположение которого также удалено от оси симметрии (дефекта), рис. 2Ь, а затем, в процессе деления этого кольца и последующих, в конечном итоге, в результате уплотнения колец друг к другу, формируются два кольцевых образования (1,3) с узкой светлой кольцевой полосой между ними (2), рис. 2ё. В кольцевых образованиях 1 и 2 содержится равное число интерференционных колец, а ход порядка интерференционных цветов относительно центральной светлой кольцевой полосы (2), противоположный. Уместно сравнить последовательность расположения интерференционных цветов в кольцевом образовании (например, в 1-м от периферии к центру) с последовательностью изменения интерференционной окраски в классической ячейке с прозрачными электродами при В-эффекте [2|. Хорошо известно, что при реализации В-эффекта, при пороговом напряжении, наблюдается смена темного поля, которое обусловлено исходной гомеотропной ориентацией нематика, на светлое, а только потом (при увеличении напряжения) появляются чередующиеся друг за другом интерференционные цвета поля зрения. По всей видимости, при начальном не значительном отклонении директора от нормали, не выполняются условия интерференции между обыкновенным и необыкновенным лучами, возможно, вследствие нарушения пространственной когерентности, и первый интерференционный цвет, для которого начинают выполняться условия интерференции, является красный. В нашем случае, первое интерференционное кольцо (И) также имеет красный цвет. Отметим, светлая каемка (не цветная), по периферии деформированной области нематика, так и остается не цветной при любом действующем напряжении, и может рассматриваться аналогом перехода от темного поля к светлому при В-эффекте. Таким образом, распределение цветных интерференционный колец представляет собой, своего рода, развертку в плоскости ячейки последовательности интерференционных цветов, имеющих место при В-эффекте. При этом роль электрического поля (для В-эффекта), как показано ниже, выполняет поток жк материала.
Измерения ширины интерференционных колец, проведенные в ячейках с разной толщиной жк слоя (10-100 мкм) (для 5 мкм ячеек эффекты гидродинамической неустойчивости не позволяют получить приемлемое количество интерференционных колец) показывают, что в некотором диапазоне напряжений, их ширина, практически, не зависит от толщины ячейки и является только функцией приложенного напряжения.
Поворот ячейки па любой угол (0-360 °) вокруг оси, перпендикулярной плоскости ячейки, не сопровождается изменением цвета интерференционных колец. Это подтверждает вышесказанное, что изменение ориентации молекул жк происходит в плоскостях перпендикулярных плоскости ячейки, т.е. изменяются полярные углы молекул, но не азимутальные.
Вышепредетавленные экспериментальные факты позволяют предложить модель деформации ориентированного нематика в окрестности дефекта диэлектрика. При прикладывании напряжения к жк ячейке, через слой жк от дефекта (Б) к электроду 1ТО течет ионный ток ] (рис. 3), который вовлекает в движение вещество жидкого кристалла в том же направлении.
Рис. 3. Ориентация (отклонение от нормали) молекул в потоках жк материала. Б дефект 2
кремния (Б) к аноду (поверхность электрода 1ТО (не показана)). С пограничный слой.
Другими словами, ионный ток можно рассматривать своего рода микронасосом, перекачивающим жк материал, интенсивность перекачки которого управляется напряжением. При малых напряжениях устанавливается замкнутый ламинарный поток жк материала от центра вдоль поверхности электрода 1ТО и возврат жк материала обратно к центру (Б) вдоль
2
где относительная скорость этих встречных потоков равна нулю, по всей видимости, первоначально плоский. В такой ситуации просветление гомеотропно ориентированного нематика (рис. 2а) объясняется ориентацией директора в потоке жк вещества [5] (рис. 3). У верхне-
2
в радиальном направлении (рис. 3). При увеличении напряжения, пограничный слой С теряет устойчивость, превращаясь из плоского в периодически деформированный, навязывая соответствующую периодическую ориентацию нематику (рис. 2с1). Необходимо заметить, что принятие пограничным слоем волнообразного профиля довольно широко распространенное явление на границе встречных потоков в разных средах [6].
Исследование движения микрочастиц, взвешенных в жк, действительно показывает, что они перемещаются циркулярным образом от центра, где расположен дефект, к периферии и обратно в радиальном направлении, пересекая при этом выше указанные кольцевые образования (1, 2, 3, рис. 2с1), иногда заходя за границу деформированной области нематика (в область гометропной ориентации) на расстояние 20-30 мкм.
В заключении необходимо отметить два обстоятельства. Первое касается существенного ограничения при использовании выше описанного электрооптичеекого эффекта для региетра-
2
внимание, что переориентация нематика в окрестности дефекта пленки обусловлена ионным током и существенно определяется величиной этого тока, наличие вскрытых окон в окисле, имеющих значительно большую площадь, чем площадь дефектов, в значительной мере, может снизить токи непосредственно через микроскопические дефекты, вплоть до не возможности реализации деформации нематика. Другими словами, дефекты пленки могут быть в наличии, но не визуализироваться, т.к. основная доля ионного тока будет протекать через участки
ячейки со вскрытыми окнами в окисле. II второе минимальный размер периода электрически управляемой деформации нематика, достигнутый в работе, сравним (и даже меньше) со стандартными размерами пикселов электрически управляемых коммерческих модуляторов света (например [7, 8]), выполненных по технологии LCoS (жк на кремний). Такое сравнение показывает потенциальную перспективность получения периодического распределения директора, основанное на еамоорганизованном эффекте волнообразного распределения директора возникающем при потере устойчивости пограничного слоя между потоками жк вещества в предлагаемой геометрии жк ячейки.
Литература
1. Muller R., Kamins Т. Device electronics for integrated circuits / New York: Wiley, 1986.
2. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов / М.: Наука, 1978. 384 с.
3. Zakzouk А.К.М. Time dependent MOS gate oxide defects using nematic liquid crystals /7 .J.
Electrochem. Soe. 1980. 127, № 4. P.932-937.
4. Gritsenko N.I., Kueheev S.I., Moshel N.V. A model nonuniform electric field in nematic liquid
crystal over a dielectric defect /7 Mol. Crvst. Liq. Crvst. 1990. 193. P.43-46.
5. Невская Г.Е. Рубцов A.E. Дефектоскопия диэлектрических пленок с помощью нематических жидких кристаллов /7 Микроэлектроника. 1987. 45. С.74-80.
6. Forster D. Microscopic thcorv of flow alignment in nematic liquid crystal /7 Phv. Rev. Lett.
32, № 21. P.1161-1164.
7. Ламб Г. Гидродинамика / Москва: ИЛ, 1947. 928 с.
8. Duran V., Clemente P., Matinez-Leon LI., Climent V., Lands .J. // .J.Opt. A: Pure Appl.
Opt. 2009. 11. P.085403.
9. Sakakura V., Sawano Т., Shimotsuma Ya., Miura K., Hirao K. // .Jpn. .J. Appl. Phvs. 2009.
48. P.126507.
VISUALIZATION OF NEMATIC FLOW IN THE VICINITY OF DEFECT OF DIELECTRIC IN Si/Si02/NEMATIC/ELECTR0D STRUCTURE S.I. Kueheev, N.V. Malai, Yu. S. Tuchina
Belgorod State University,
Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. Behavior of homeotropicallv oriented nematic liquid crystal (5CB, Single Crystal
22
rod structure under the direct voltage action is investigated. It is shown that liquid crystal flow that is associated with through-like ion current between defect and ITO electrode causes the change of initial orientation of the nematic and it is visualized via concentric interference rings with cross-like quenching of polarized light.
