Беспороговая электрооптическая мода в сегнетоэлектрических жидких кристаллах: [ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.00.00, кандидат наук Подгорнов, Федор Валерьевич

• Подгорнов, Федор Валерьевич
• кандидат наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат наук Подгорнов, Федор Валерьевич

Содержание

5

Глава № 1 Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических

жидких кристаллах

1.1 Жидкие кристаллы

1.1.1 Нематические жидкие кристаллы

1.1.2 Смектические жидкие кристаллы

1.2 Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

1.2.1 Электроклинный эффект

1.2.2 Эффект деформированной спирали в сегнетоэлектрических жидких кристаллах (ДССЖК)

1.2.3 Поверхностно стабилизированные сегнетоэлектрические жидкие кристаллы

1.2.4 Беспороговая и бесгистерезисная электрооптическая

мода (\/-образное переключение)

Глава № 2 Эксперимент

2.1 Экспериментальная установка

2.2 Материалы

2.3 Изготовление СЖК ячеек

2.4 Компьютерное моделирование СЖК ячеек

Глава № 3 Экспериментальное исследование и компьютерное

моделирование безпорогового переключения в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

3.1 Эквивалентная электрическая цепь СЖК ячейки. Динамический 48 делитель напряжения

3.1.1 Делитель напряжения с внешними электрическими

элементами

3.2 Зависимость параметров У-образного переключения от толщины СЖК и ориентирующих слоев

3.2.1 Зависимость частоты инверсии от толшины

58

ориентирующего/ изолирующего слоя. Эксперимент

3.2.2 Зависимость частоты инверсии и напряжения насыщения 60 от толщин СЖК слоя

3.2.3 Зависимость частоты инверсии гистерезиса от толщины 61 СЖК слоя. Компьютерное моделирование

3.2.4 Зависимость порогового напряжения и частоты 63 инверсии от толщины ориентирующих слоев. Компьютерное моделирование

3.3 Роль проводимости СЖК слоя в У-образном переключении

3.3.1 Зависимость частоты инверсии от температуры

3.3.2 Допированные СЖК слои

3.3.2.1 Осциллограммы тока. Сопротивление ячеек. 68 Эксперимент и компьютерное моделирование

3.3.2.2 Электрооптические свойства проводящих ячеек. 71 Эксперимент и компьютерное моделирование

3.4 Зависимость частоты инверсии от проводимости и спонтанной 75 поляризации. Компьютерное моделирование

Глава № 4 Оптические модуляторы на основе беспороговой

электрооптической моды

4.1 Высокочастотный модулятор с V образным электрооптическим 80 откликом

4.2 Шкала серого высокочастотного СЖК модулятора с У-образным 81 электрооптическим откликом

4.3 Отклик на полярные импульсы с большой скважность 82 Заключение 86 Литература 89 Автобиография 92 Список публикаций

Заявление

Подтверждение

Благодарности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Беспороговая электрооптическая мода в сегнетоэлектрических жидких кристаллах: [»

Введение

В настоящее время мы являемся свидетелями стремительного роста интереса, как к исследованию фундаментальных свойств жидких кристаллов, так и к их практическим применениям. Данный тип материалов привлекает к себе значительное внимание, благодаря своим уникальным физическим свойствам, таким, как комбинация свойств жидкости (текучесть) и пространственное/ориентационное упорядочение, сильная чувствительность к внешнему электрическому/магнитному полю, механическим напряжениям, и т.д. Электрооптические свойства ЖК позволяют успешно использовать данные материалы в дисплейных приложениях, переключателях, дефлекторах и т.д. В связи с этим, исследование электрооптических эффектов в жидких кристаллах играет ключевую роль не только с точки зрения изучения фундаментальных свойств ЖК, но и для их возможных применений. Среди всех типов жидких кристаллов, наиболее исследованными и применяемыми на практике являются нематические жидкие кристаллы (НЖК). Данный тип жидких кристаллов характеризуется ориентационным упорядочением молекул и одновременно отсутствием их трансляционного порядка. Из свойств симметрии НЖК следует, что ЖК данного типа не могут иметь макроскопического дипольного момента. Вследствие этого, НЖК не чувствительны к знаку приложенного электрического поля, что и является основной причиной их медленного времени переключения, лежащего в миллисекундном диапазоне. В настоящее время открыто и исследовано множество элекгрооптических мод НЖК: S -эффект, В - эффект, твист и супер твист, эффект двух частотной адресации, переходный эффект [Blinov], Несмотря на то, что практические все современные ЖК устройства основаны на НЖК, проблема с их временем отклика до сих пор не решена. Вместе с тем, 28 лет назад был открыт новый тип жидких кристаллов -хиральные смектики. С (сегнетоэлектрические жидкие кристаллы (СЖК)) [Meyer], По сравнению с НЖК, СЖК обладают рядом отличительных черт, а именно одновременное существование как ориентационной, так и трансляционной (одномерной) упорядоченности молекул, а также хиральность данных молекул. Комбинация данных свойств приводит к

возникновению не скомпенсированного макроскопического дипольного момента. Данное обстоятельства имеет три существенных последствий для оптических приложений: 1) зависимость электрооптического отклика от полярности приложенного электрического поля, 2) быстрое время отклика лежащее в микросекундном диапазоне, 3) вращение директора СЖК параллельно плоскости ячейки (при планарной ориентации СЖК) под действием электрического поля [1_\л/аН]. Другими словами, СЖК могут рассматриваться как конкурирующие НЖК материалы для ряда приложений.

С момента открытия СЖК у них было открыто несколько геометрий: поверхностно стабилизированный СЖК (БвРЬС) [1_адС1аг] и СЖК с деформированной спиралью (ОНР1_С) [ВегвЬа]. Из множества электрооптических эффектов в данных геометриях одним из самых перспективных с точки зрения приложения является так называемая V -образная мода (беспороговая и бесгистерезисная электрооптическая мода).

Детальный обзор электрооптических мод в СЖК будет представлен в главе № 1 настоящей диссертации.

Среди всех электрооптических эффектов в СЖК, наибольший интерес вызывают ОНР1_С и \/-образное элекгрооптическое переключение поскольку именно они позволяют генерировать непрерывную шкалу серого у пространственно-временных модуляторов света. В тоже самое время, только V -образная мода имеет беспороговое переключение. Использование данного эффекта в активно матричных дисплеях может существенно упростить и удешевить процесс их изготовления и одновременно улучшит эксплуатационные характеристики. Однако с момента открытия данного эффекта его природа является все еще предметом противоречивых дебатов.

На настоящий момент предложено несколько моделей для объяснения механизма данной электрооптической моды, а именно 1) модель коллективного движения, основанная на предположении что \/-образная мода это некое специальное свойство особой смектической фазы (хиральный смектик X (втХ*)). [1пш, Рикис1а]; 2) электростатическая модель, предложенная Н. Кларком и соавторами [С1агСо1,Сор, МасС1аг],

в рамках которой предполагалась блочная переориентация СЖК из-за взаимодействия электрического поля, индуцируемого спонтанной поляризацией и самим вектором спонтанной поляризации; 3) модель влияния полярной части энергии сцепления СЖК или АСЖК с ориентирующими слоями [Е^М.Е^Й].

Несмотря на множество предложенных моделей, ранние работы не выявили природу данного электрооптического эффекты и не смогли объяснить ряд его особенностей. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования с целью объяснения его физических механизмов.

Принципиально новый подход был недавно предложен Л.М. Блиновым, В. Хаазе , С.А. Пикиным и соавторами [Наазе1, Наазе2]. Основной идеей данной модели является ключевая роль параметров динамического делителя напряжения, формируемого элементами

жидкокристаллической ячейки, а именно слоем сегнетоэлектрического жидкого кристалла и слоем полимерного ориентанта. Благодаря такому делителю напряжения, напряжение на слое СЖК радикально отличается от напряжения приложенного ко всей ячейке. График зависимости интенсивности прошедшего излучения (ячейка помещена между скрещенными поляризаторами) от приложенного напряжения существенно отличается от подобного графика, но построенного в зависимости от напряжения непосредственно на слое СЖК. Только в первом случае возможно существование беспороговой, безгистерезисной моды. Иными словами, было показанно что \/-образное электрооптическое переключение является воображаемым, а не реальным. Используя данную модель, были созданы ячейки с частотой инверсии, превышающей 700 Гц. С другой стороны, в работах [НаазеЗ,Наазе4], используя компьютерное моделирование, было исследовано влияние физических параметров СЖК смесей на характеристики \/-образной электрооптической моды.

Глава № 2 посвящена описанию экспериментальной установки, методам характеризации СЖК ячеек и используемых смесей, технологии изготовления ячеек, а также описанию программного обеспечения

используемого для компьютерного моделирования электрооптического переключения в СЖК.

Глава № 3 посвящена исследованию беспороговой электрооптической моды в СЖК. В данной главе детально рассмотрена природа данной моды, а также влияние различных параметров на частоту инверсии и напряжение насыщения (емкость ориентирующих слоев, проводимость СЖК, спонтанная поляризация, энергия сцепления). Анализ полученных результатов будет проводиться на основе модели динамического делителя напряжения.

Глава № 4 описывает результаты исследования оптимизированной высокочастотной ячейки с \/-образным типом переключения. В данной главе будут продемонстрированы ее динамические электрооптические характеристики и продемонстрирована шкала серого. Полученные экспериментальные результаты будут сравнены с результатами компьютерного моделирования.

Цели работы

Исследование механизмов и компьютерный анализ \/-образной электрооптической моды в сегнетоэлектрических жидких кристаллах:

а) Роль динамического делителя напряжения, формируемого структурой СЖК ячейки в формировании \/-образного типа переключения

б) Роль спонтанной поляризации, полярной части энергии сцепления и текстуры СЖК в механизмах \Л-образного переключения

в) Влияние проводимости СЖК на частоту инверсии

г) Исследование свойств шкалы серого у СЖК С У-образным типом переключения

Глава № 1

Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

1.1 Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы представляют собой промежуточное состояние (мезофаза) между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью.

Вещество в этом состоянии сильно анизотропное в некоторых своих свойствах и обладает определенной степенью текучести, которая в некоторых случаях сравнима с текучестью обычной жидкости. Мезоморфизм происходит в веществах, молекулы которых геометрически высоко анизотропны, например, форма типа «стержень» или «диск». В зависимости от молекулярной структуры, система может пройти через одно или более мезоморфное состояние до того, как превратится в изотропную жидкость. Переходы в эти промежуточные состояния могут быть индуцированы, благодаря только термическим процессам (термотропные) либо благодаря влиянию растворителя (лиотропные). По внутренней структуре термотропные жидкие кристаллы могут подразделяться на нематики и на смектики.

1.1.1 Нематические жидкие кристаллы

Нематические жидкие кристаллы характеризуются дальним ориентационным порядком и отсутствием дальнего позиционного порядка молекул [5,24]. Как и в случае изотропного вещества, плотность не зависит от координат, р(г)=сопз1 Директор в нематиках удовлетворяет условию п=-п и совпадает с направлением оптической оси (рисунок 1.1 а).

п

б

Рисунок 1.1 : а) Структура нематика; б) структура хирального нематика (холестерика). п - директор, г -направление длинной оси

Нематическая фаза обладает цилиндрической симметрией по отношению к плоскости, перпендикулярной оси z. Другими словами, нематики имеют группу точечной симметрии которая запрещает существование макроскопического дипольного момента. Как правило, фазовый переход из изотропной фазы в нематики - это слабый переход первого порядка [ВПпоу], с небольшим скачком параметра порядка Э и других термодинамических свойств. Наблюдается также расхождение температур в некоторых физических параметрах (теплоемкость, диэлектрическая проницаемость) в области перед фазовым переходом.

Обычные нематические жидкие кристаллы формируются палочкообразными молекулами, составляющими одноосную среду с неполярной симметрией. Благодаря этому замечательному свойству нематиков, возможно создать однородную ориентацию молекулярных осей по всему образцу, таким образом получив однодоменный образец.

Если добавить хиральные молекулы к нематикам или использовать хиральные мезогенные молекулы, можно получить так называемую холестерическую мезофазу [Ве18оп]. Холестерики характеризуются тем, что направление длинной молекулярной оси в каждом соседнем слое повернуто под некоторым углом по отношению к молекулам в предыдущем слое. В результате формируется спираль. Шаг спирали зависит от природы молекул. Соответственно шагу, ось ориентации молекул вращается на угол 2тт, хотя период оптических свойств равен тт. Локально, как и нематики, холестерики одноосны. Макроскопически, благодаря усреднению, спиральная структура тоже одноосна, оптическая ось совпадает со спиральной осью, которая перпендикулярна локальной (нематической) оптической оси. Замечательное оптическое свойство холестериков - селективное отражение света. Длина волны отраженного света - функция шага спирали.

1.1.2 Смектические жидкие кристаллы

Другой класс жидких кристаллов - смектики, в которых молекулы имеют некоторую степень позиционного порядка [ЕЫоп, ВП'поу, 1.\/\/а11]. Во многих важных смектических фазах (ЭтА, БтС) позиционное упорядочивание

происходит только в одном направлении, формируя слои двумерных нематиков. Самая простая смектическая фаза - это смектик А (вплА) фаза (см. рис. 1.2 а), в которой среднее направление молекулярной ориентации происходит вдоль нормали к слою смектика. Кроме того, существует семейство наклонных смектических кристаллических фаз, в которых директор располагается под фиксированным углом 8 к нормали к слою, самая простая из них - смектик С(8тС) (см.рис.1.2 Ь).

а

б

Рисунок 1 .2: Структура смектических жидких кристаллов а) Смектик А (БтА), б) Смектик С (ЭтС)

Когда фазы включают в себя хиральные молекулы, возникают хиральные версии вышеописанных фаз - БтА*, БтС*. Один из эффектов хиральности молекул в случае наклоненного ЭтС* - прецессия азимутальных углов директора от одного слоя к другому. Это приводит к формированию макроскопической спиральной структуры с осью вдоль нормали к слою (см. рисунок 1.3).

Шш

щщ

п

Шт

I

Рисунок 1.3 : Структура хиральной смектической С фазы

Как и ориентационное упорядочивание в нематиках, позиционное упорядочивание в смектиках не идеально. В некоторых случаях плотности распределения центров масс молекул как функции расстояния вдоль нормали к слоям подчиняется синусоидальному закону [1_\л/а11]:

где р0 - средняя плотность и 9 - расстояние между слоями (обычно несколько нанометров, ф - параметр порядка смектика (отношение амплитуды осцилляций к средней плотности слоев). Внутри каждого слоя, ориентационное упорядочивание по отношению к директору описывается нематическимпараметром порядка:

Рисунок 1.4: Пространственная ориентация молекул в смектической С фазе

Но в случае наклоненных смектических фаз, нужны еще два параметра порядка для описания фазы - азимутальный угол ср директора по отношению к фиксированной системе координат и наклон директора по отношению к нормали к слою 0 (см. рис. 1.4).

Здесь 8 - это угол между молекулой и директором. Параметры порядка в и ф достаточны для описания ЭплА фазы.

ъ

Точечные симметрии смектических фаз и сегнетоэлектричество

Кроме трансляционной симметрии, фаза смектика А обладает следующими точечными симметриями [Е1э1:оп,1_\л/а11]:

A) Зеркальная симметрия в плоскости, параллельной смектическим слоям, которые находятся точно между плоскостями.

Б) Двукратная вращательная симметрия вокруг любой оси, лежащей в одной из вышеперечисленных зеркальных плоскостей.

B) Зеркальная симметрия в любой плоскости, перпендикулярной смектическим слоям.

Г) Полная вращательная симметрия вокруг оси, перпендикулярной слоям.

Этот набор точечных симметрий соответствует точечной симметрии в обозначениях Шенфлиеса. Хиральный вариант БтА фазы имеет только вращательную симметрию, зеркальная симметрия больше не существует, так как молекулы хиральные. Это уменьшает степень симметрии БтА* до й». Высокая симметрия БтА и БтА* фаз препятствует существование любой спонтанной поляризации, как и в нематиках. Таким образом, они могут взаимодействовать с приложенным электрическим полем только по средствам индуцированного электрического диполя. В отличие от БтА, БтС имеют следующие точечные симметрии:

А) Зеркальная симметрия в наклонной плоскости молекул Б) Двухкратная вращательная симметрия вокруг оси, перпендикулярной к наклонной плоскости молекул, либо прямо между слоями, или прямо в среднем слое.

Эта комбинация соответствует С2ь группе точечных симметрий в обозначении Шоенфлиеса, и также исключает существование спонтанной поляризации фазы БтС. Однако в хиральной ее версии зеркальная симметрия больше не присутствует и остается только вращательная симметрия.

Степень симметрии уменьшается до С2. Это позволяет существовать спонтанной поляризации вдоль оси этой симметрии в каждом слое смектиков. Общая спонтанная поляризация возникает

благодаря отсутствию вращательной вырожденности молекул вдоль их длинных осей в слое смектика. Таким образом, как было предсказано Мейером [Meyer], SmC* являются сегнетоэлектриками. Но этот вывод справедлив лишь для одного смекгического слоя. Хиральность молекул также имеет следствием макроскопическую спиральную структуру, в которой С2 - ось ( а следовательно и направление поляризации) медленно прецессирует от одного слоя к другому. Таким образом, на макроскопическом уровне не существует поляризации, и более корректное название данному типу материалов будет «гелиэлектрик». Однако в ограниченной ячейке спиральная структура подавляется (стабилизация поверхностью), и вся система действительно становится сегнетоэлектрической.

1.2 Электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических жидких кристаллах

1.2.1 Электроклинный эффект

Электроклинный эффект существет в хиральных смектиках А, благодаря мягкой моде. В хиральных смектиках А* , молекулы формируют параллельные слои, которые перпендикулярны к ограничивающим пластинкам, но не наклонены. Термин «электроклинный» возникает потому, что приложенное электрическое поле индуцирует этот наклон. Существуют также мягкомодовые сегнетоэлектрические жидкие кристаллы, в которых при охлаждении ЖК до фазового перехода БтА* -БтС*, одна из констант упругости исчезает, увеличивая возвращающую силу, которая сохраняет молекулы перпендикулярно смектическим слоям. После приложения электрического поля молекулы наклоняются в плоскости вещества, а не вращаются по конусу. Направление индуцированного молекулярного наклона является функцей полярности приложенного поля [ВНпоу].

Привлекательными характеристиками электроклинных жидких кристаллов являются их маленькое время отклика и линейный электрооптический отклик.

Время переключения в электроклинном режиме не зависит от напряженности электрического поля. Оно зависит только от вращательной вязкости ^ и модуля упругости А'.

Это время может быть получено аналитически из уравнения баланса вязкого и упругого моментов, известного как уравнение Ландау -Халатникова:

у М+А-в = 0т

9 Ы

Данное уравнение имеет простое решение:

0 = 0(О)(1-ехр(-*/ )) / %в

Здесь т-у^К - характерное время отклика.

Оптическая модуляция светового излучения осуществляется в электроклинный эффект вращением эффективной оптической оси при приложении управлящего электрического поля. Так как угол 0

существенно меньше чем у СЖК, полученного из тех же компонент, наиболее доступные смеси не могут обеспечить наклон эффективной оптической оси 22.5° что необходимо для поворота плоскости

поляризации на угол у. Однако используя комбинацию нескольких

ячеек с углом наклона 11.25°, можно достигнуть большой глубины модуляции прошедшего излучения.

Другое преимущество данного эффекта - это отсутствие гистерезиса электрооптического отклика, что очень важно для практического применения электроклинных модуляторов света.

1.2.2 Эффект деформированной спирали в сегнетоэлектрических жидких кристаллах (ДССЖК)

Эффект деформированной спирали в сегнетоэлектрических жидких кристаллах существует в фазе смектика С*, если толщина ячейки больше чем шаг спирали.

Структура ДССЖК - слоистая, так что директор в каждом слое наклонен на угол 0 по отношению к нормали. Направление наклона прецессирует благодаря хиральности молекул вокруг нормали к слою, формируя геликоидальную структуру с шагом Р0. Чтобы получить более выраженный электрооптический эффект, геометрия должна быть планарной; то есть смектические слои должны быть перпендикулярными к стеклянным [ВегБсИа].

В отсутствии электрического поля азимут ср изменяется линейно с координатой г, перпендикулярной к слоям: ф=я0г , а =2тг/ Р0. Так как спонтанная поляризация прецессирует линейно с г, то средний макроскопический дипольный момент принимает нулевое значение. Когда электрическое поле Е приложено параллельно к смектическим слоям, оно взаимодействует с сегнетоэлектрической поляризацией в первом порядке и со статическим диэлектрическим тензором во втором порядке. Как результат такого взаимодействия, спираль деформируется таким образом, что молекулы выстраиваются перпендикулярно к вектору Е. Упругая сила действует противоположным образом, она пытается сохранить слои в равновесии, в неискаженной конфигурации, и в результате получается довольно сложный профиль ср(г). Таким образом,

17

первые молекулы, которые выстраиваются перпендикулярно к Е - это молекулы в слоях, близких к плоскостям, где ф=тт, 3 тг, 5 тг, ... , для Е > О,

и около плоскостей, где (р=2 тг, 4 тт.....для Е<0. В то время, как |Е|

увеличивается, число плоскостей, и, следовательно, размер областей, где ф является четным и кратным тг для Е>0, и где нечетным и кратным тг для Е<0, увеличивается.

Поляризатор ! 0»Ро

Рисунок 1 (е ПОДЛОЖКИ, 2

- проз|--------- ,-----------_____._______! натертыми

полимерными ориентирующими слоям, 3- смектические слои, 4 - генератор напряжения, р - угол между осью пропускания поляризатора и осью, Р0 - шаг геликоида, О - апертура светового пучка

Размер областей между плоскостями уменьшается, т.к. формируются стенки с толщиной:

с = 7(к/ре) К - эффективная константа упругости.

Поведение шага геликоида с Е таково, что шаг увеличивается вместе с напряженностью, до критического поля Ес, выше которого геликоид раскручивается. Деформация спирали приводит к повороту эффективной оптической оси на некоторый угол в плоскости ячейки. Свет, распространяющийся перпендикулярно к спирали БтС*, обладает уникальными свойствами, очень отличающимися от случая распространения вдоль спирали или под маленьким углом к ней[АЬс!и1Иа1].

Существует два основных эффекта влияния такой ЖК ячейки на прошедший световой пучок. Первый - это преобразование поляризации и второе - это дифракция света. Преобразование поляризации является

результатом оптической анизотропии, влияние которой может быть описана в терминах поворота оптической оси по отношению к поляризации падающего света и двулучепреломления. Пропускание ячейки ДССЖК , помещенную между двумя скрещенными поляризаторами, описывается следующей формулой:

T(z) = sin2(^- An(z))sin2(2[Q(z) + р])

k0 - волновой вектор падающего света, (3 - угол между поляризацией падающего света и осью z, Q(z) - угол между проекцией оптической оси на плоскости поляризатора и осью z, Дп - эффективное двулучепреломление.

Модуляция света, благодаря дифракции, является результатом пространственной периодичности диэлектрического тензора, перпендикулярной к направлению распространения. Линии дисклинации, которые существуют в планарных образцах, также вносят вклад в дифракцию[01одРау]. Эти линии ответственны за темные полосы на образце, наблюдаемые в поляризационном микроскопе. Следуя численному решению уравнения син - Гордона, время переключения должно уменьшаться как т ~ 1/Е для средних полей, и как т ~ 1/VE для сильных полей [Abdulmod],

1.2.3 Эффект поверхностной стабилизации в сегнетоэлектрических жидких кристаллах.

В 1980 году Кларк и Лагерволл [LagerClar] продемонстрировали существование макроскопической поляризации смектиках С* при раскрутке спирали. Это может быть выполнено ограничением СЖК смеси двумя пластинками, расстоянием между которыми меньше чем шаг спирали.

В идеальном поверхностно-стабилизированном СЖК (ПССЖК) молекулы формируют параллельные слои.Это структура называется «книжная полка», потому что слои расположены один к другому, как книги на полке. Молекулы, при этом, вынуждены вращаться по конусу.

f(p) |(P) Рисунок 1.6: Структура поверхностно стабилизированного СЖК

Чтобы переключить молекулы из одного состояния в другое, необходим заряд 2Р5, где Р3 - спонтанная поляризация. Добавочный заряд необходим, чтобы создать разность потенциалов вдоль слоя СЖК, которая ограничивает жидкий кристалл, как и в любом конденсаторе. Таким образом, общий заряд, который необходим, чтобы переключить кристалл ц= это 2Р3+С\/, где V - разница потенциалов, С - емкость ячейки.

Динамика переключения в ПССЖК ячейках может быть описана уравнением баланса моментов, которое известно, как уравнения син -Гордона, решение которого имеет вид:

.Фо

-t

(p(t) = 2arctg(tg-^-e 1).

Здесь фо - угол между Е и Ps в момент времени t = 0, t=y/PsE -характерное время переключения (время отклика). Это время обратно пропорционально приложенному электрическому полю в отличии от НЖК. Это значит, что электрооптический отклик СЖК быстрее, чем в случае нематиков. Уникальное преимущество СЖК заключается в том, что переключение одинаково быстро в обоих направлениях, что не может быть достигнуто в нематиках.

Пропускание ячейки поверхностно-стабилизированном СЖК,

помещенной между двумя скрещенными поляризаторами может быть

описано следующим выражением:

^ . ? • ? TidAn Т = sin2 49 • sin2

с1 - толщина ячейки, Л - длина волны. Первый множитель является функцией угла наклона молекул СЖК, второй член - осциллирующая функция зависящая от толщины ячейки и длины волны.

Бистабильное переключение ПССЖК ячеек

Существование двух термодинамических стабильных состояний с разными коэффициентами пропускания является очень важной особенностью поверхностно - стабилизированных СЖК. На настоящий момент предложено несколько моделей для объяснения природы бистабильного переключения СЖК.

Во - первых, чтобы получить бистабильную ПССЖК ячейку, ограничевающие поверхности должно упорядочить молекулы так, чтобы они были параллельны к ним, но при этом директор должен свободно вращаться в этой плоскости [1_адегС1аг].

Изолирующие ориентирующие слои ухудшают бистабильность. Причина заключается в том, что когда напряжение приложено к ячейке, электрическое поле распределяется между ПССЖК слоем и ориентирующими слоями, заставляя молекулярные диполи выстраиваться так, чтобы их полярность была направлена против приложенного поля. Это может быть рассмотрено как общий заряд, созданный на границе между упорядочивающими слоями и жидким кристаллом, который имеет противоположную полярность по сравнению с полярностью потенциала ближайшего электрода. Когда приложенное к ячейке напряжение равно нулю (что достигается с помощью закорачивания двух электродов), заряд на границах сохраняется. Это создает поле (деполяризационное поле) в поверхностно стабилизированных СЖК, которое противоположно по полярности к приложенному. Деполяризационное поле пытается переключить поверхностно - стабилизированные СЖК из его термодинамически равновесного состояния. Чем больше спонтанная поляризация СЖК, тем больше плотность заряда на границах, и следовательно, тем больше деполяризационный эффект [Мос1с1]. Решением данной проблемы является использование проводящих ориентирующих слоев [СМеУад]. Если ориентирующий слой достаточно проводящий, то после переключения приложенного поля в ноль, заряд перетекает, чтобы

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Подгорнов, Федор Валерьевич, 2004 год

Список публикаций

[Abdulhal] I. Abdulhalim, Opt. Comm., 144, 1997, pp. 169-178 [AbdulMod] I. Abdulhalim, G. Moddel, К. M. Johnson, Appl. Phys. Lett.,

55, 1989, pp. 1603-1605 [BelSon] V. A. Belyakov, A. S. Sonin, Optics of cholesteric liquid

crystals, Nauka, 1982 (in Russian) [BerScha] L. A. Beresnev, V. G. Chigrinov, D. I. Dergachev,

E. P. Pozhidaev, J. Funfschilling, M. Schadt, Liq. Crys., 5, 1989, pp. 1171-1182

[Blinov] L. M. Blinov, V. G. Chigrinov, Electrooptic effects in liquid

crystal materials, Springer-Verlag, New York, 1994 [Blm1] L. M. Blinov, E. P. Pozhidaev, F. V. Podgornov, A. Sinha,

W. Haase, Ferroelectrics, 277, 2002, pp. 3-11 [Blm2] L. M. Blinov, E. P. Pozhidaev, F. V. Podgornov, S. A. Pikin,

S. P. Palto, A. Sinha, A. Yasuda, S. Hashimoto, W. Haase, Phys. Rev. E, 66, 2002, 21701 [Blm3] S. P. Palto, L. M. Blinov, F. V. Podgornov, W. Haase,

Mol. Crys. and Liq. Crys., in print [Blm4] L. M. Blinov, S. P. Palto, A. L. Andreev, E. P. Pozhidaev,

F. V. Podgornov, W. Haase, Mol. Crys. and Liq. Crys.., in print

[Chand] A. D. L. Chandani, Y. Cui, S. S. Seomun, Y. Takanishi,

K. Ishikawa, H. Takezoe, A. Fukuda, Liq. Crys., 26, 1999, pp. 167-179

[ChieYag] Т. C. Chieu, К. H. Yang, Appl. Phys. Lett., 56, 1990, pp. 1326-1328

[ClarBar] N. A. Clark, J. E. Maclennan, R. Shao, D. Coleman,

5. Bardon,T. Bellini, D. R. Link, G. Natale, M. A. Glaser, D. M. Walba, M. D. Wand, X. H. Chen, P. Rudquist,

J. P. Lagerwall, M. Buivydas, F. Gouda, S. T. Lagerwall, J. Mater. Chem., 9, 1999, pp. 1257-1261 [ClarCol] N. A. Clark, D. Coleman, J. E. Maclennan, Liq. Crys., 27,

6, 2000, pp. 985-990

[ClarkHa] M. A. Handshy, N. A. Clark , Ferroelectrics, 59, 1984

[Cop] M. Copic, J. E. Maclennan, N. A. Clark, Phys. Rev. E,

65,2002, 021708

[Elston] E. E. Kriezis, L. A. Parry-Jones, S. J. Elston, Optical

Properties and applications of ferroelectric and antiferroelectric liquid

crystals, in Optical applications liquid crystals, Inst. Of Physics, 2003

[Elstl] N. J. Mottram, S.J. Elston, Liq. Crys., 12, 26, 1999,

1853-1856

[Elstl] N. J. Mottram, S.J. Elston, Phys. Rev. E, 5, 65, 2000,

pp. 6787-6794

[Fukuda] A. Fukuda, Proc. of the 15th International Display Research

Conference, Asia Display, 1995 [Fukudlsh] A. Fukuda, S. S. Seomun, T. Takahashi, Y. Takanishi, K. Ishikawa, Mol. Crys. Liq. Crys Sei. Technol. Sect. A., 303, 1997, pp. 378-389 [GlogPav] M. Glogarova, J. Pavel, Journ. De Physique, 45, 1984

[GorMie] E. Gorecka, D. Pociecha, M. Glogarova, J. Mieczkowski,

Phys. Rev. Lett., 81, 1998, pp. 2946-2949 [Hayashi] N. Hayashi, T. Kato, T. Aoki, T. Ando, A. Fukuda,

S. S. Seomun, Phys. Rev. E, 65, 2002, 041714 [Inui] S. Inui, N. limura, T. Suzuki, H, Iwane, K. Miyachi,

Y. Takanishi, A. Fukuda, J. Mater. Chem., 6,1996 [jeu] G. Vertogen, W. H. de Jeu, Thermothropic liquid crystals,

Fundamentals, Springer-Verlag, Berlin, 1988 [LagClar] N. A. Clark, S. T. Lagerwall, Appl. Phys. Lett., 36, 1980,

pp. 899-901

[Lwall] S. T. Lagerwall, Ferroelectric and antiferroelectric liquid

crystals, Wiley-VCH,Weinheim, 1999 [MacClar] M. Copic, J .E. Maclennan, N. A. Clark, Phys. Rev. E,

63, 2001, 031703

[Meyer] R. B. Meyer, L. Liebert, L. Strzelecki, P. Keller, Journ.

Phys.Lett., 36, 1975

[Modd] G. Möddel, Ferroelectric liquid crystal spatial light

modulators, 1994

[Nakalch] T. Nakamura, H. Ichinose, S. Naemura, Jap. J. Appl. Phys.,

26, 1987

[Ocall] M. J. O'Callaghan, Phys. Rev. E, 67, 2003, 011710

[ParNak] B. Park, M. Nakata, S.S. Seomun, Y. Takanishi,

K. Ishikawa, H. Takezoe, Phys. Rev. E, 59, 1999, pp. 3815-3818

[ParTak] B. Park, S. S. Seomun, M. Nakata, Y. Takanishi,

K. Ishikawa, H. Takezoe, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 38, 1999, pp. 1474-1481 [SeoGao] S. S. Seomun, T. Gauda, Y. Takanishi, K. Ishikawa,

H. Takezoe, A. Fukuda, С. Tanaka, T. Fujiyama, T. Maruyama, S. Nishiyama, Dig. AM-LCD, 96, 1996 [Seolsh] S. S. Seomun, T. Gauda, Y. Takanishi, K. Ishikawa,

H. Takezoe, A. Fukuda, , Liq. Crys., 26, 1999, pp. 151-161 [SeoNish] S. S. Seomun, Y. Takanishi, K. Ishikawa, H. Takezoe,

A. Fukuda, C. Tanaka, T. Fujiyama, T. Maruyama, S. Nishiyama, Mol. Crys. Liq. Crys. Scie. Technol., Sect. A, 303, 1997, pp. 436-447 [SeoPar] S. S. Seomun, B. Park, A.D.L. Chandani, D. S. Hermann,

Y. Takanishi, K. Ishikawa, H. Takezoe, A. Fukuda, Jpn. J. Appl. Phys., 37, 1998, pp. 645-658 [SeoTak] S. S. Seomun, Y. Takanishi, K. Ishikawa, H. Takezoe,

A. Fukuda, Jpn. J. Appl. Phys. 36, 1997, pp. 1278-1290 [Shiba] S. Shibahara, J. Yamamoto, Y. Takanishi, K. Ishikawa,

H. Yokoyama, H. Takezoe, Phys. Rev. E, 63, 2001, 051707

Автобиография

Имя:

Дата рождения: Место рождения Гражданство Сесейное положение Родители:

1979-1989

1989 -1993

Декабрь 1993 1994- 1999

1999-2004

Федор В. Подгорнов 16 Мая 1972

Коркино, Челябинская область, Россия

Россия

холост

Валерий Иванович Подгорнов (инженер)

Надежда Владимировна Подгорнова (Юровских) (инженер)

Математическая школа 31, Челябинск, Россия

Специализация по оптике под руководством Проф. Б. Я. Зельдовича, Южно Уральский Государственный Университет, Челябинск, Россия

Диплом по электрофизике (Дипл.-Физ.)

Младший научный сотрудник в Южно Уральском Государственном Университет, Факультет Прикладной Математики и Физики, Россия

Аспирант Проф. В. Хаазе, Институ Физической Химии, Технический Университе Дармштадта

Данная работа была выполнена в Институте Физической Химии (Технический Университет Дармштадта) под руководством Проф. В. Хаазе в период с Апреля 1999 года до Марта 2004 года.

Список публикаций

[F1] N. D. Kundikova, F. V. Podgornov, B. Ya. Zel'dovich, "Manifestation of spin- orbit interaction of a photon in a vacuum". Pure and Applied Optics, 4, 1995

[F2] B. Ya. Zel'dovich, N. D. Kundikova, F. V. Podgornov,

L.F. Rogacheva,"Experimental obtaining a light «flash» moving with arbitrary velocity in vacuum", Kvantovaya Elektronika (Quantum Electronics), 23,11, 1996

[F3] S. A. Podoshvedov, F. V. Podgornov, "Two waves mixing in a cubic-nonlinear media: eigenmodes, spatial instability, and bifurcation", Optika i spektroskopija (Optics and spectroscopy), 81, 9, 1996

[F4] N. B. Baranova, V. A. Krivoschokov, B. Ya. Zel'dovich,

F. V. Podgornov, "Liquid crystalline analizator of the state of light polarization", Sov. Journal of quantum electronics, 10, 1997

[F5J B. Ya. Zel'dovich, N. B. Baranova, V. A. Krivoschokov,

F. V. Podgornov, "Polariscope:Theory and Experiment", Molecular Crystals and Liquid Crystals, 321, 1998

[F6] F. V. Podgornov, I. B. Tsarev, V. A. Krivoschokov, "Liquid crystalline compensator", Molecular Crystals and Liquid Crystals, 321, 1998

[F7] S. A. Podoshvedov, F. V. Podgornov," Peculiarity of exchange among four unidirectional light waves in a nematic liquid crystal under exciting thermal static lattices: Eigenmodes, their instability, bifurcations and optical switching", Molecular Crystals and Liquid Crystals, 321, 1998

[F7] F. Podgornov, E. Pozhidaev, D. Ganzke, W. Haase, "Variable optical attenuator based on deformed helix ferroelectric liquid crystals", Proceedings oflSAF 2000 (IEEE Catalog Number 00CH37076), 2000

[F8] W. Haase, F. Podgornov, "Fast switchable devices based on ferroelectric liquid crystals", J. Opt. Tech., 68,2001

[F9] S. P. Palto, L. M. Blinov, F. V. Podgornov, W. Haase," Modeling electrooptical effects in ferroelectric liquid crystals. 1. Basic equations and experimental tests", Molecular Crystals and Liquid Crystals, in print

[F10] L. M. Blinov, S. P. Palto, A. L. Andreev, E. P. Pozhidaev,

F. V. Podgornov, W. Haase, "Modeling electrooptical effects in ferroelectric liquid crystals. 2. V-Shape switching in SmC* phase", Molecular Crystals and Liquid Crystals., in print

[F11] W. Haase, F. Podgornov, E. Pozhidaev, "Polarization-insensitive modulator based on deformed helix ferroelectric liquid crystals", Proc. SPIE 4481, 2002

[F12] L. M. Blinov, E. P. Pozhidaev, F. V. Podgornov, A. Sinha, W. Haase, "Hysteresis Inversion Frequency for V-shaped Electrooptical Switching Controlled by Dynamic Impedance of Ferroelectric SmC* Phase" Ferroelectrics, 277, 2002

[F13] L. M. Blinov, E. P. Pozhidaev, F. V. Podgornov, S. A. Pikin, S.P. Palto, A. Sinha, A. Yasuda, S. Hashimoto, W. Haase, "Thresholdless" Hysteresis-Free Switching as an Apparent Phenomenon of Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Cells", Phys. Rev. E, 66, 2002

[F14] W. Haase, S. A. Pikin, F. V. Podgornov, E. P. Pozhidaev,

H. Moritake, A.D.L. Chandani Perera, "Thresholdless hysteresis-Free switchable FLC materials", SPIE Proceedings, 5003, 2003

[F15] M. V. Kozlovsky, F. V Podgornov, G. Wang, W. Haase,

"Photoselection- Governed Holographic Grating Recording in a

Chiral Side Chain Azo Dye Liquid Crystalline Polymer", Phys. Stat. Sol., 198, 2003

L. M. Blinov, S. P. Palto, F. V. Podgornov, H. Moritake, W. Haase, "Hysteresis- free electrooptical switching in conducti ferroelectric liquid crystals: experiments and modelling", Liquid. Crystals, 31, 1, 2004

Eidesstattliche Erklärung

Я официально заявляю, что данная дисскртация была выполнена мною самостоятельно с привлечение только второстепенной сторонней помощи.

Федор В. Подгорнов

Подтверждение

Я подтверждаю что данная диссертационная работа не предсталенна к защите в другом месте.

Федор Подгорное

Благодарности

• Я хочу выразить свою исреннюю признательность Проф. В. Хаазе за руководства моей работы.

• Я очень благодарен Проф. Т. Чуди за плодотворные обсуждения и его искреннюю помощь.

• Я также благодарен Проф. Л. М. Блинову и Проф. С.А. Пикину (Институт Кристаллографии, Росийская Академия Наук, Москва, Россия) за нашу совместную работу по V-образному переключению СЖК.

• Хочу выразить особую благодарность Др. Е.П. Пожидаеву (Физический Институт, Российская Академия Наук, Москва, Россия) за нашу совместную работу в области сегнетоэлекгрических жидких кристаллов.

• Я также хотел бы выразить свою признательность Др. А. Ясуда и Др. С. Хашимото (Sony Corp.) за плодотворное научное сотрудничество и финансовую поддержку данной работы