Эффект памяти в полимердисперсных жидкокристаллических пленках

Нематики в порах микронного размера, встроенные в твёрдые матрицы, предполагают новый взгляд на топологически различные метастабильные состояния. Этот класс систем оптически интересен, поскольку они обычно очень мутные, но становятся прозрачными при воздействии контролируемого электрического поля. Из-за собственной текучести и диэлектрических свойств одноосность, ориентация нематического жидкого кристалла внутри пикселя легко контролируется электрическим полем E [1]. Мутность этих систем является следствием собственного двойного лучепреломления нематиков и ориентационного беспорядка, индуцированного их взаимодействием с поверхностями матрицы-хозяина. Было замечено, что некоторые из этих систем демонстрируют эффект памяти [2] после удаления электрического поля, коэффициент пропускания света не возвращается к своему первоначальному значению. Это означает, что ориентационный порядок в системе частично фиксируется, запоминается. Эту память можно стереть нагреванием и охлаждением, временно расплавляя нематический порядок. В начале 90-х годов в ходе исследования нематиков, диспергированных в полимерных структурах с различной морфологией, Ямагучи и его коллеги показали, что разъединенные поры не вызывают значительных эффектов памяти [3]. Вместо этого эти эффекты наблюдаются в некоторых случаях, когда поры образуют многосвязную структуру, в которой выравнивание нематических жидких кристаллов постоянно искажается.

Экспериментальное оборудование

Образец ячейки с жидкокристаллической пленкой с учетом ее свойств был изготовлен следующим образом. Структурное устройство полимерножидкокристаллических композитов зависит от состава и физико-химических свойств исходных компонентов, а также от способа их изготовления. Эти композиты могут иметь форму пленок, капсулированных полимером жидких кристаллов, пористых структур и коллоидных систем.

В качестве материалов для создания полимерно-жидкокристаллического композита выбрана следующая модельная система: поливинилацетат и нематический жидкий кристалл 5СВ (производства фирмы Merck). Для создания образцов использовалась растворная технология. В 10%-ный раствор поливинилацетата добавляли 1% нанопорошка. Значения концентрации приведены в массовых долях полимера. Для измельчения агломератов раствор наночастиц в полимере сначала перемешивали в планетарной мельнице со скоростью 1000 оборотов 10 минут, затем в ультразвуковой мешалке YA Xun 9050 (f = 44 кГц, P =500 Вт) в течение 30 минут. После этого в полимерную композицию добавляли жидкий кристалл, смесь еще раз перемешивали и наносили на стеклянную подложку с токопроводящим покрытием. При испарении растворителя происходит разделение фаз жидкий кристалл — полимер. В результате образуется пленка, содержащая капли жидких кристаллов. После полного испарения растворителя пленку покрывали вторым стеклом с токопроводящим покрытием, помещали на 5 минут в печь, нагретую до 125 0C, а затем охлаждали до комнатной температуры. Толщина пленок составляла 30 микрон.

Емкости были измерены на установке с уравновешенным мостом переменного тока Шеринга. Неуравновешенные мосты удобнее в использовании без дополнительных средств для автоматизации и позволяют осуществлять прямое снятие данных с индикатора, но точность полученных данных с их использованием уменьшается. Упрощенная схема моста переменного тока представлена на рис 1.

Рис. 1. Упрощенная схема моста переменного тока со смещением постоянного тока

Переменный ток подается на мост от генератора Gen1 через трансформатор TV1. Изменять частоту тока в широком диапазоне позволяет генератор. Непосредственно плечи моста состоят из элементов R1, R2 и R4, C2 и образцов жидкокристаллической ячейки CL1. Балансировка моста осуществляется с помощью переменного резистора Р1. Опорный конденсатор моста С2 прецизионный. Переменный резистор R4, включенный последовательно, позволяет сбалансировать мост относительно диэлектрических потерь в жидкокристаллической ячейке за счет его позиции. Таким образом, можно определить тангенс угла диэлектрических потерь.

Как жидкие диэлектрики даже хорошо очищенные жидкие кристаллы обладают выраженной ионной проводимостью, существование которой нежелательно, так как наличие тока в жидкокристаллической ячейке, с одной стороны, приводит к накоплению электрических зарядов, с другой стороны, к их релаксации вблизи электродов, что может ухудшить качество образца и точность измерения его емкости. Усилитель U1, выпрямитель VD1-VD2-R6-R7 и микроамперметр P1 используются в качестве нуля, по показаниям которого мост балансируется. Использование двухполупериодного выпрямителя на диодах Шоттки с заменой двух плеч резисторами позволяет минимизировать падение напряжения и повысить чувствительность нулевого индикатора. При измерении параллельной составляющей диэлектрической проницаемости на LC-ячейку CL1 подается смещение постоянного тока от источника переменного тока BP1 через резистор R3.

Этот резистор нео б х од им для значительного увеличения внутреннего с опроти в л ен ия ист оч ни к а п ост о янного тока, чтобы он незначительно влия л н а бал ан с моста. При из м ерен ии эталона диэлектрической проницаемости п ара лле льн о с жи дк окри стал ли че с кой я чей кой вме с т о и с т очн и к а т ок а с помощью переключате л я S A 1 п о д клю ч а ют ре зистор R5, сопротивление которого равно вн у т ренне му з н аче ни ю соп роти вле н ия R3. Таким образом, при измерении обеих составляю щи х д и э ле к три ч еск ой проницаемости точное сопротивление подкл ю ча е тс я па ра лле льн о яч е й к е , чт о п о зволяет избежать искажений показаний моста при пере клю ч е ни и ре жи ма измер е н и я . Конденсатор С1 препятствует попаданию нулевого ин д и к а тор а п ост оян н ого с ме щен ия н а вход у силите л я . Переменный резистор R6 ре гу лиру ет ч у вст ви те льн ост ь у си лит е ля .

Т а нге н с у гл а д и э лектрических потерь в жидкокристаллической ячейке по мос т овой схе м е м ож но оп ре дели т ь с ле д у ю щи м обр а зом:

tg 8 = (C 2 R 4 .

Калиб ровка мос т а п роводится с учетом активного сопротивлен и я, е мко сти в ыводов и к о нт а ктов ж идкокристаллической ячейки с использован и ем типовых конденсаторов. Пре де л ы измерения емкости образца представленным при бором составляют 100- 5 00 п Ф; потеря тангенса — до 0,05, максимальное приложенное к я че йк е п о ст оя нн ое эле к три чес кое сме щ ени е — до 320 В.

Фотогр аф и и п л ен к и бы ли с дела н ы с п ом о щ ью э л ектронно сканирующего мик роскоп а N EO S COP E I I JCM -6000 (JEOL Ltd.) в режиме увеличения SEI при у ск оряю ще м н а пря жени и в 15 кВ.

Р е зуль т ат ы и и х обсужд е н и е

При измере ни и емк ост и об раз ц а был замечен гистерезис. После удаления эле к три чес к ог о п ол я е м кос т ь н е возвращается к исходному значению.

Рис. 2. Из м е ре н ие емкости в образце жидкокристаллической пленки

Однако при прохождении отрицательных значений напряжения емкость возвращается в ту же точку — это указывает на то, что емкость материала частично сохранилась. Он “наполнен” и сохраняет емкость, что, в свою очередь, демонстрирует эффект памяти. В образце были обнаружены поры одного порядка в диапазоне 5 микрометров (рис. 3 а-г). Размер пор относительно самого образца малый, поры открытые. Размер пор относительно толщины пленки малый. Поры в жидкокристаллической пленке позволяют создавать эффект памяти в образце.

б)

Рис. 3. Поры в жидкокристаллической пленке: а) фото пор в образце жидкокристаллической пленки; б) поры от 4 до 5 микрон; в) поры от 4 до 7 микрон; г) поры от 2 до 5 микрон

г)

Заключение

В данной работе исследуется эффект памяти в образце полимерно-дисперсной жидкокристаллической пленки. Был зафиксирован положительный прирост емкости при нулевом значении напряжения смещения при помощи вольт-фарадных измерений. В целом поведение емкости в зависимости от напряжения смещения носит явный гистерезисный характер. При смене полярности напряжения емкость образца при нулевом напряжении смещения не повышается относительно предыдущего измерения. Таким образом, дальнейшего накопления памяти не происходит. Результаты микроскопии поверхности полимерно-дисперсных пленок указывают на относительно равномерное распределение микропор в полимерной матрице, содержащих жидкий кристалл. Эффект памяти, по-видимому, связан со структурой самой пористости и связан с ориентацией топологических дефектов жидкого кристалла в этих порах. Дальнейшие исследования механизмов работы эффекта памяти в пористых системах, содержащих жидкие кристал- лы, открывают широкие перспективы управления параметров таких систем для новых практических применений.