Оптические свойства нематиков. - раздел Химия, Некоторые вопросы строения веществ Как Отмечалось Ранее, Весь Объем Жидких Кристаллов Разбивается На Домены, Всл...
Как отмечалось ранее, весь объем жидких кристаллов разбивается на домены, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Такие жидкие кристаллы выглядят мутными. Для практического использования необходимо получить однодоменную структуру жидкого кристалла. Иначе говоря, необходимо использование факторов, стабилизирующих однодоменное строение жидкого кристалла. Такими факторами могут быть:
- поверхностные силы, задающие определенную ориентацию молекул на поверхностях;
- внешние поля (как правило, электрические), ориентирующие молекулы сразу во всем объеме.
Исторически первый, но не утративший своего значения и в наше время способ получения однодоменных образцов состоит в специальной обработке поверхностей, ограничивающих жидкий кристалл. Для обработки поверхностей применяют скрайбирование (нанесение царапин), напыление на поверхность молекулярных слоев, нанесение поверхностно-активных молекул специальных веществ – ориентатнов.
Однородно ориентированные слои нематика с осями молекул, параллельными поверхностям пластин, называют планарной текстурой, а с осями перпендикулярными поверхностям, – гометропной текстурой.
Очевидно, что ориентирующее влияние поверхности на молекулы жидкого кристалла тем сильнее, чем менее молекулы удалены от поверхности. Поэтому следует ожидать, что однородной структуры жидкого кристалла можно добиться в тонких слоях. Практика показывает, что полной однородности структуры можно добиться, поместив жидкий кристалл между пластинками с зазором 10 – 100 микрометров. Пластины, ограничивающие жидкий кристалл, как правило, изготавливаются из прозрачных материалов – стекла или полимеров, для изготовления прозрачных электродов используются слои окиси олова (SnO2).
Важными характеристиками нематических жидких кристаллов являются оптическая и диэлектрическая анизотропия.
Под оптической анизотропией (Dn) понимают разность в показателях преломления световых волн, электрические векторы которых параллельны и перпендикулярны преимущественной ориентации молекул. Для типичных случаев Dn » 0,3, то есть однородно ориентированные нематические структуры ведут себя подобно оптически положительным одноосным кристаллам.
Под диэлектрической анизотропией понимают разницу в значениях диэлектрической проницаемости измеренных вдоль и поперек направления преимущественной ориентации молекул (De). В соответствии со знаком De, различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию. Положительная диэлектрическая анизотропия нематика соответствует меньшей диэлектрической проницаемости (большей фазовой скорости) для света, поляризованного перпендикулярно направлению директора. В нематике с отрицательной диэлектрической анизотропией фазовая скорость света, поляризованного перпендикулярно направлению директора, оказывается меньше скорости света, поляризованного в направлении директора.
Микроскопической причиной возможности существования различных знаков De являются особенности строения молекул, образующих жидкий кристалл. Величина De пропорциональна параметру порядка S,то есть изменяется с температурой нематика, и ее среднее значение лежит в интервале 0,2-0,01 при средней диэлектрической проницаемости e = 2-2,5. Оптические характеристики планарной текстуры таковы, что без изменения поляризации в ней распространяется только свет, линейно поляризованный ортогонально и параллельно директору. Любая другая поляризация изменяется по мере распространения света.
Докажем это. Произвольно поляризованный свет можно разложить на волны, поляризованные параллельно и перпендикулярно директору. Каждая из этих волн движется со своей фазовой скоростью, и на выходе из ячейки возникнет разность фаз между волнами. Следовательно, сложение вышедших волн даст волну с изменившейся поляризацией.
Итак, поляризационные свойства планарной и гомеотропной текстур нематика оказываются различными. Точно также различны свойства пластин обычных кристаллов, если они вырезаны так, что в одной из них оптическая ось перпендикулярна, а у другой параллельна поверхности. Существенным отличием нематиков от обычных кристаллов является то, что у нематиков направление оптической оси можно менять путем внешних воздействий. Так, при приложении электрического поля молекулы нематика ориентируются так, чтобы направление большего значения диэлектрической проницаемости совпало с направлением поля. Таким образом, ячейку с гомеотропной структурой можно превратить в ячейку с планарной структурой. Наложив на ячейку поляроидную пленку, можно изменять прозрачность ячейки при помощи приложения напряжения. Расчеты, выполненные Фридериксом с сотрудниками, показали, что для перестройки структуры типичной ячейки необходимы напряжения порядка единиц вольт. Время перестройки ячейки порядка миллисекунды.
Электроннооптические эффекты в ячейке могут проявляться не только в переходах из прозрачного в непрозрачное состояние или наоборот, но также в изменении окраски ячейки. Если в нематик добавить небольшое количество дихроичного красителя, то при переориентации молекул нематика происходит и переориентация молекул красителя, что приводит к изменению цвета ячейки.
По электрическим свойствам жидкие кристаллы относятся к полярным диэлектрикам с невысоким удельным сопротивлением (r=106-1010 ОМ´м). При работе в постоянных полях перемещение ионов и их взаимодействие с материалом электродов приводит к постепенной деградации ячеек – потере контраста. Кроме того, в материалах с низким удельным сопротивлением поток ионов нарушает упорядоченное расположение молекул нематика. В результате образуются области рассеяния, что проявляется как помутнение ячейки. Этот эффект называют динамическим рассеянием света.
Эффект динамического рассеяния света также используется для изготовления индикаторов. Преимуществами таких индикаторов является то, что при переменном напряжении удается ослабить процессы электролиза и увеличить срок службы индикаторов до десятков тысяч часов. Кроме того, эффект проявляется в неполяризованном свете, что упрощает конструкцию индикаторов. Недостатком является необходимость использовать более высокие напряжения, чем в случае чисто полевых эффектов.
Поскольку в индикаторах на жидких кристаллах используется окружающий свет, то потребляемая мощность значительно меньше, чем у других индикаторных устройств, и составляет 10-4 – 10-6 Вт/см2. Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных люминофорах, а также в газоразрядных индикаторах.
Другими достоинствами жидкокристаллических индикаторов являются: а) хороший контраст при ярком освещении;
б) совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению;
в)сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.
Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электрохимического и фотохимического старения.
Все темы данного раздела:
Межатомное взаимодействие.
Рис.1. Зависимость сил взаимодействия между атомами (а) и энергии потенциального взаимодейс
Типы химических связей.
Для облегчения понимания межатомного взаимодействия мы будем рассматривать типы химической связи в несколько упрощенном виде, а именно, рассмотрим: а) гомеополярную, или ковалентную связь, б) гетер
Кристаллическая структура твердых тел.
При невысокой энергии системы ионы находятся в потенциальных ямах (см. рис.1б), и расположение ионов становится упорядо
Точечные дефекты решетки
К ним относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемен
Линейные дефекты кристаллической решетки.
Многочисленные исследования изменения стру
Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен. Для понимания природы появления дефектов упаковки обратимся к геометрии заполнения кристаллической решетки в плотноупако
Энергетические дефекты кристаллической решетки.
Как отмечалось выше, один или несколько атомов в кристаллической решетке могут обладать повышенной энергией. В этом случае принято говорить об энергетических дефектах кристаллической решетки. К эне
Основы теории сплавов
Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быт
Элементы зонной теории твердых тел
Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов движущихся в периодическом поле кристаллической решетки.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Диэлектрическими принято называть материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012 - 1025 ра
Влияние температуры на электропроводность диэлектриков
При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возр
Влияние напряженности поля на электропроводность диэлектриков
При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов:
Упругая поляризация
Упругая поляризация не связана с тепловым движением молекул. К ней относятся следующие виды поляризации:
а) поляризация упругого электронного смещения;
б) поляризация ионного упру
Виды поляризации релаксационного типа.
В ряде диэлектриков электроны ионы и дипольные молекулы могут скачком переходить из одного положения в другое. Эти переходы осуществляются частицами благодаря получению ими энергии при тепловых кол
Особенности поляризации в активных диэлектриках
Под активными диэлектриками принято понимать диэлектрики, поляризация которых происходит не только под действием внешнего поля, но и под действием других факторов: механических усилий, температуры,
Диэлектрические потери
Под действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрическо
Влияние температуры на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков
С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при
Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков.
С увеличением частоты электрического поля д
Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярных диэлектриках
В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее
Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков
Как отмечалось выше, при нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического по
Пробой диэлектриков
Под пробоем диэлектриков понимают потерю ими диэлектрических свойств. Принято различать напряжение пробоя (Uпр) и электрическую прочность (Епр).
Напряжение пробоя это
Электрический пробой газов
Увеличение плотности ионов в диэлектриках (пробой) может быть вызвано развитием ударной ионизации или ионной ионизации. Для развития ударной ионизации необходимо выполнение условия:
Eql=mv
Влияние частоты электрического поля на электропрочность газов
Взаимодействие ионов, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа приводит к образованию дополнительного количества положительных ионов и электронов. Внешнее электрическое поле разносит ионы
Электрический пробой твердых диэлектриков
При рассмотрении электрического пробоя в твердых диэлектриках следует иметь в виду, что электрическая прочность зависит не только от материала, но и от формы изолятора. Дело в том, что в твердых ди
Электротепловой пробой диэлектриков.
При нахождении диэлектрика в электрическом поле, часть энергии электрического поля рассеивается в диэлектрике из-за диэл
Электрохимический пробой диэлектриков.
Данный вид пробоя обусловлен тем, что при длительном нахождении в электрическом поле происходит изменение химического состава диэлектрика. Чем выше напряженность электрического поля, тем сильнее во
Общие положения
По характеру взаимодействия с магнитным полем все материалы принято делить на слабо взаимодействующие и сильно взаимодействующие материалы. Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем являетс
Природа ферромагнетизма.
Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронн
Доменная структура ферромагнетиков.
Магнитные моменты соседних атомов ферромагнетиков ориентированны параллельно, однако в кристалле достаточно большой вели
Кривая намагничивания
При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся совпавшими и
Электротехническая сталь
Низкое электрическое сопротивление железа приводит к тому, что в переменных полях в железе возникают большие потери на вихревые токи и снижается магнитная проницаемость. При легировании железа крем
Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях
Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ домено
Магнитомягкие материалы, предназначенные для работы в высокочастотных полях.
В высокочастотных полях резко возрастают потери на вихревые токи. Поэтому в высокочастотных полях используют материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением – магнитодиэлектрики, ферромаг
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материала идут на изготовление постоянных магнитов, запасенная магнитная энергия которых оценивается как произведение остаточной индукции на величину коэрцитивной сил
Промышленные магнитотвердые материалы.
Самыми «старыми» магнитотвердыми материалами являются углеродистые стали, закаливаемые на мартенсит. Для понимания природы повышения коэрцитивной силы при закалке сталей следует рассмотреть диаграм
Дисперсионно твердеющие сплавы
К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al. При высоких температурах алюминий и никель растворяются в аустените, но при резком охлаждении образуется пересыщенный раствор леги
Деформируемые магнитотвердые материалы.
Как правило, магнитотвердые материалы непластичны, поскольку дисперсные частицы выделений, препятствующие смещению границ доменов, затрудняют движение дислокаций. Однако в ряде случ
Магнитотвердые ферриты
Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaOґ6Fe2O3 (ФБ, ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную решетку
Проводниковые материалы
Все проводниковые материалы можно условно разделить на три группы: 1) материалы высокой электропроводности, используемые для изготовления проводников; 2) металлические материалы высокого удельного
Материалы высокой электропроводности.
К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования:
· Высокая электропроводность
· Высокая механическая прочность
· Технологичност
Серебро
Наибольшую электропроводность из всех металлов имеет серебро. При комнатной температуре его удельное электрическое сопротивление составляет 0,0150 мкОм´м. Серебро пластично - относительное уд
Алюминий
Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раз выше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря этому при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в
Материалы высокого удельного сопротивления.
Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло. Очевидно, что к таким материалам будут предъявляться следующие требова
Сплавы на основе меди.
Константан. Твердый раствор 40% никеля в меди, точнее 40%Ni, 1,5%Mn, остальное медь. Этот сплав маркируется как НММц 58,5-1,5. Наименование этого сплава подчеркивает неизменность е
Никель-хромовые сплавы.
Нихромы. Классическим никель-хромовым сплавом является сплав Х20Н80 (20%Cr, 80%Ni). При комнатной температуре в никеле растворяется 20% хрома. При этом хотя и сохраняется ГЦК решет
Железохромалюминиевые сплавы
Типичным представителем этой группы сплавов является сплав 0Х27Ю5 (23%Cr, 5%Al, остальное железо). Сплав отличается высоким удельным сопротивлением (r=1,1 мкОм´м). Замена никеля на железо при
Материалы электрических контактов
В электрических машинах и аппаратах могут встречаться только две неисправности: пробой изоляции (наличие нежелательных контактов) и отсутствие контакта в нужном месте. В этой связи надежность элект
Зажимные контакты
В зажимных контактах («клеммы», болтовые соединения и т.д.) действительная поверхность контакта заметно меньше поверхности налагаемых друг на друга проводников. Это связано с наличием на поверхност
Материалы разрывных контактов.
Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. При этом между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а, следовательно, к сниж
Материалы скользящих контактов.
В основном, к материалам скользящих контактом предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов. Од
Полупроводниковые материалы
Полупроводниками принято называть вещества, электропроводность которых обусловлена перемещением электронов, возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагрев, облучение светом, наложение
Элементарные полупроводники.
Среди элементарных полупроводников наибольшее техническое применение нашли кремний и германий. Рассмотрим некоторые их свойства. Кремний и германий относятся к элементам 4 группы, также как углерод
Полупроводниковые химические соединения.
Полупроводниковыми свойствами обладают многие химические соединения. В химии полупроводниковых соединений приняты обозначения типа AIIIBV, где AIII – элемент третье
Активные диэлектрики
Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий - температуры, давления, напряженности поля и та
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.
В отсутствии внешнего электрическ
Пьезоэлектрики.
В 1880 году братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой пьезоэффект – возникновение электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из кристалла кварца, под действием механических напряжений. Эти з
Электреты.
Электретами называют диэлектрики, длительное время сохраняющие электризованное состояния после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Электреты являются формальными аналогами пост
Жидкие кристаллы
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, вернее, первым, кто понял, что это самостоятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый Рейнитцер. Исследуя синтезированное им вещество холе
Оптические свойства холестериков
При нахождении холестерика в электрическом или магнитном поле происходит искажение шага спирали молекулы. В полях достаточно большой напряженности при положительной диэлектрической или магнитной ан
Оптические свойства смектиков.
Смектики - это наиболее обширный класс жидких кристаллов. Причем некоторые разновидности смектиков обладают сегнетоэлект
Суперионные проводники.
Суперионными проводниками называют диэлектрики с ионной связью, проводимость которых резко возрастает при достижении некоторой температуры, меньшей температуры плавления. Этот эффект связывают с та
Материалы твердотельных лазеров.
Диапазон работы современных твердотельных лазеров охватывает ультрафиолетовую, видимую и ближайшую инфракрасную области спектра.
Материалы, предназначенные для изготовления лазеров, должны
Гранаты
Применение гранатов в современной квантовой электронике объясняется удачным сочетанием оптических, теплофизических и механических свойств. Наибольшее распространение получил иттрийалюминевый гранат
Кристаллы вольфраматов и молибдатов
Вольфраматы и молибдаты двухвалентных и одновалентных металлов относятся к структурному типу шеелитов. Их активизируют редкоземельными элементами, в основном, неодимом. Большой набор соединений так
Новости и инфо для студентов