Влияние электрофотовозбуждения поверхности на граничные условия и ориентацию молекул нематического жидкого кристалла Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 544.25

О. А. Денисова (к.ф.-м.н, доц.), 1, А. Н. Чувыров (д.ф.-м.н., проф., зав. каф.)2

Влияние электрофотовозбуждения поверхности на граничные условия и ориентацию молекул нематического жидкого кристалла

1 Уфимская государственная академия экономики и сервиса, кафедра физики, 450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347) 2520901, e-mail: [email protected] 2Башкирский государственный университет, кафедра инженерной физики 450074, г. Уфа, ул. Валиди, 32; тел. (347) 2286278, e-mail: [email protected]

O. A. Denisova1, A. N. Chuvyrov2

Influence elekrofotoexcitation surface orientation of the NLC molecules

1 Ufa State Academy of Economics and Service 145, Chernyshevskogo Str., 450078, Ufa, Bashkortostan; ph. (347) 2520901, e-mail: [email protected]

2Ufa Bashkir State University 32, Validi Str., 450074, Ufa, Bashkortostan, ph. (347) 2286278, e-mail: [email protected]

Экспериментально исследовано влияние электрофотовозбуждения поверхности подложек из фотопроводников на ориентацию молекул нема-тических жидких кристаллов. Ячейка представляла собой «сэндвич» из фотопроводника — нематического жидкого кристалла — электрода из бп02. Было обнаружено, что интенсивность прошедшего через ячейку света и величина фазовой задержки в зависимости от приложенного напряжения изменяются линейно. Это связано с поляризацией поверхностных нанослоев жидкого кристалла при инжекции в них электронов.

Ключевые слова: анизотропия; нематические жидкие кристаллы; поляризация; электрооптический эффект; электрофотовозбуждение.

Электрооптическим эффектом называют изменение показателя преломления вещества под действием электрического поля. В твердых кристаллах различают линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), когда изменение показателя преломления вещества пропорционально первой степени напряженности внешнего электрического поля, и квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), в этом случае изменение показателя преломления пропорционально квадрату напряженности электрического поля. Существование поперечного электрооптического эффекта в нематических жидких кристаллах (НЖК) на сегодняшний день не вызывает сомнения 1. Это следует автоматически из соот-

Дата поступления 14.05.11

Influence of electrophotoextitation of surfaces of substrates from photoconductors on orientation of molecules nematic liquid crystals is experimentally investigated. The cell represented «sandwich» from a photoconductor — nematic a liquid crystal — an electrode from SnO2. It was revealed that intensity of passed through a cell of light and size of a phase delay depending on the enclosed pressure change linearly. It is connected with polarisation of superficial of nanolayers a liquid crystal at injection of electrons in them.

Key words: anisotropy; nematic liquid crystals; polarisation; electrooptical effect; electrophoto-exitation.

ношения (1) для угла ориентации молекул в электрическом поле, но выделить вклады флексоэлектрической и полярной компонент в этой ситуации не возможно. В чистом виде полярную компоненту можно определить при исследованиях продольного электрооптического эффекта, так как в этой ситуации вклад флексоэлектрического слагаемого равен нулю. Для исключения влияния эффекта Фредерик-са в исследованиях необходимо использование смесей НЖК с анизотропией диэлектрической проницаемости sa ~ 0 . Продольный линейный электрооптический эффект был предсказан в теоретической работе А. П. Крехова 2, но экспериментально до настоящего времени не был обнаружен.

Целью данной работы было экспериментальное исследование продольного линейного электрооптического эффекта, так как квадратичный электрооптический эффект уже изучен и применяется при разработке дисплеев и систем отображения информации.

Материалы и методы исследования

Наблюдение и исследование электрооптического эффекта стало возможным при элект-рофотовозбуждении поверхности. В качестве жидкого кристалла использовалась смесь п-н-бутил-п'-гептаноила-оксибензол + п-меток-сибензилиден-бутиланилин (МББА). Исследовалась ячейка типа «сэндвич» (рис. 1). Одна из пластин ячейки была сделана из кристалла СйБ, другая из стекла. На пластины крепились электроды из Бп02. Между пластинами помещался жидкий кристалл. Применение СёБ мотивировалось тем, что он является фотопроводником и его проводимость меняется с помощью света различной интенсивности. Молекулы жидкого кристалла имели гомеотропную ориентацию, которая достигалась ионной бомбардировкой аргоном поверхностей СёБ и Бп02.

Результаты и их обсуждение

Рассмотрим упрощенную теорию линейного электрооптического эффекта с учетом поверхностной поляризации. Поскольку в вышеописанных экспериментах у НЖК еа « 0, то его можно считать полубесконечным с условием в ^ 0 при г ^да.

Тогда с учетом

г) = Л10 8К-Л2) +

1 10 8к(Лк/2) 1да '

где Бю — параметр порядка вблизи поверхности в отсутствие поля,

( Г Vй2

х= Гл

aT' - C

1 у

т.е. поляризация р

убывает от электрода как

р = р§Б 1 = роБ 1ое&г,

где Ь = —1/8, 8 — эффективная глубина существования поверхностной поляризации.

Уравнение состояния НЖК будет иметь

вид

Щх + Ep0SV)ebze = О

(1)

Введем новые константы и переменные: PoS 10 E

a = ■

к

y = n(E), Е = e ,

получаем уравнение, решение которого хорошо известно. Его вид

Рис. 1. Экспериментальная ячейка

Для регистрации и обработки экспериментальных данных была собрана экспериментальная установка. Основным элементом ее регистрирующей части является поляризаци-онно-оптический микроскоп Amplival — Pol U и спектрофотометрическая приставка СФН—10. Прошедший через ячейку с НЖК свет преобразовывался в электрический сигнал с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-79, входящего в состав СФН, регистрировался приставкой СФН-10. Интенсивность светового потока фиксировалась вольтметром постоянного тока.

72- d П dn „

b Е—f + —- + an = О

d£2 dE

(2)

а его решение n[0] = no [eo](d' - 1)(d' -3)...(d7 -2n + 1)e±

d

1 b

d =z—, v = — = —

dz

c a

отсюда при а<<1, получаем для PoS 10 E

An

к

что и соответствует рис. 1б. Величина во определяется из условий слабого сцепления выражением п х £ (на поверхности).

12 U, В

20

Рис. 2. а — Аналоговая кривая; б — зависимости фазовой задержки и величины засветки подложки в процентах от приложенного к ячейке напряжения

На рис. 2 представлены кривые интенсивности проходящего света и фазовой задержки света с длиной волны 550 нм в зависимости от напряжения. Кривые последней с большой точностью (<10%) описывают линейное изменение двойного лучепреломления ячейки, и, соответственно, фазовой задержки в зависимости от приложенного к ячейке напряжения. Однако при больших напряжениях линейный закон нарушается и появляется тенденция к насыщению изменений 1/10.

Таким образом, в результате проведенной работы был впервые экспериментально обнаружен и исследован линейный электроопти-

ческий эффект. Природа его, как следует из экспериментов, связана с существованием поверхностной поляризации. Кроме того, из этих исследований вытекает новое самостоятельное направление дефектоскопии поверхности (контроль качества сварных швов), а также дефектов на полупроводниковых поверхностях (микросхемах).

Литература

1. Де Жен П. Физика жидких кристаллов.— М.: Мир, 1977.- 377 с.

2. Krekhov A. P., Scaldin O. A., Chuvyrov A. N. / / Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 1992.- V. 212.- Р. 245.