Электрооптика жидкокристаллических сегнетоэлектриков, индуцированных в смеси нематических жидких кристаллов и немезогенного хирального вещества

В настоящее время в жидкокристаллических дисплеях и фазовых модуляторах света используются нематические жидкие кристаллы (НЖК). Крупногабаритные тонкие экраны на основе НЖК стали возможны в значительной степени из-за высокой текучести НЖК. Нарушения оптического качества жидкокристаллического слоя при механических воздействиях на экран за доли секунды “залечиваются” течением жидкого кристалла.

Вместе с тем характерное время электрооптического отклика НЖК порядка миллисекунд, что не позволяет создавать устройства отображения информации и адаптивной оптики нового поколения. К таким устройствам относятся, например, дисплеи на технологии FSC (field sequential color) и с качественной технологией 3D, фазовые модуляторы и дефлекторы света кило-герцового диапазона.

Идеологии повышения быстродействия электрооптических модуляторов на основе НЖК существуют и активно развиваются, но все они обязательно связаны с необходимостью создания пространственно-неоднородных структур, что ведёт к сильному повышению управляющего напряжения и ухудшению оптического качества.

В качестве альтернаты нематическим жидким кристаллам (НЖК) могут быть использованы жидкокристаллические сегнетоэлектрики (ЖКС). Главным их достоинством является быстрое время отклика 10-6 - 10-5 секунды, но, вместе

с тем, монодоменные слои ЖКС необратимо разрушаются при механических воздействиях, так как течение ЖКС не наблюдается, если величина деформации превышает некоторое критическое значение. Это свойство ЖКС получило название “шок-проблема” [1]. Суть “шок-пробле-мы” иллюстрируется рис. 1.

Целью данной работы является решение “шок-проблемы”, и на этой основе создание электрооптической среды, совмещающей в себе достоинства нематических жидких кристаллов и жидкокристаллических сегнетоэлектриков, но лишённой недостатков обоих этих электрооптических сред. Цель достигнута путём создания смесей НЖК и немезо-генных хиральных веществ определённого химического строения. При некоторых условиях в таких смесях может индуцироваться текучая смектическая С* фаза жидкокристаллических сегнетоэлектриков, что показано нами впервые.

• 2.    ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА БИНАРНОЙ СМЕСИ

Компонентами смеси стали нематический ЖК

N

C6H13-л_М\ кOC8H17 и немезогенное хи-N ральное вещество

Фазовые состояния смесей этих компонентов представлены на диаграмме - рис. 2.

Построение фазовой диаграммы проводилось следующим образом. Вначале смеси были получены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии. По этим данным были пост-

а)                                                        б)

Рис. 1. Высокий контраст черного и белого до деформации (а) и серое поле после деформации (б) [1]

Рис. 2. Фазовая диаграмма роены ветви плавления из твёрдого кристалла в жидкокристаллические фазы N* и SmC*, а также перехода жидкокристаллических фаз в изотропную фазу. Для измерения температур переходов между мезофазами были использованы электрооптические и диэлектрические методы.

• 2.1.    Сегнетоэлектрическая мезофаза SmC*

• 2.2.    Влияние поверхности

На рис. 2 показано, что при концентрации хирального немезогенного вещества более 10% в смеси возникают сегнетоэлектрическая фаза SmC* и параэлектрическая фаза SmA*. Существование фаз SmC* и SmA* в указанных на рис. 2 температур- ных интервалах строго доказано методами рентгеноструктурного анализа, см. кружки на рис. 3(б). Доказательством существования этих фаз является также наличие температурных зависимостей спонтанной поляризации – рис. 3(a) и спонтанного угла наклона молекул к нормали в смектическом слое, измеренного согласно оптической методике, описанной в [2] – треугольники на рис. 3 (б). Различие между значениями угла наклона, измеренного оптическим и рентгеновским методами (рис. 3(б)), объясняется известной моделью “зигзага” [3].

Критерием для определения температуры фазового перехода из сегнетоэлектрической фазы SmC* в параэлектрическую фазу SmA*, мы считали экстремум пирокоэффициента.

Нами показано экспериментально, что приближение среднего молекулярного поля (СМП) для фазового перехода SmC*-SmA* в рассматриваемых смесях не выполняется. На рис. 3(б) видно, что температурная зависимость спонтанного угла наклона (треугольники) имеет скорее линейный вид, нежели корневой, как предсказывает теория СМП (сплошная линия).

Из невыполнения приближения СМП нами было сделано предположение, что поверхность вносит существенный энергетический вклад в

Рис. 3. Температурная зависимость спонтанной поляризации смеси 19% (а) вблизи эвтектики и температурная зависимость спонтанного угла наклона молекул в этой же смеси (б): сплошная линия – теория СМП; треугольники – оптические измерения, кружки – рентгеноструктурные.

формирование сегнетоэлектрической мезофазы.

Для проверки этого предположения была взята смесь вблизи эвтектики - 19% немезогенного хирального вещества + 81% НЖК в двух ячейках разной толщины - 1.5 мкм и 50 мкм.

Измерены углы наклона в зависимости от температуры – рис. 4(а); температура фазового перехода определялась по максимуму модуля производной угла по температуре – рис. 4(б). Как видно из графиков, при уменьшении толщины слоя ЖКС от 50 до 1.5 мкм происходит понижение температуры фазового перехода SmC* -SmA* на 2 градуса (а также значение самого угла становится меньше), что позволяет сделать вывод, что энергетический вклад поверхности сопоставим с энергией формирования наклонной структуры SmC* фазы.

• 2.3.    Текучесть смеси

Как уже было сказано, главный недостаток смектиков – неустойчивость к механическим воздействиям. А жидкокристаллический сегнетоэлектрик, индуцированный в смеси НЖК и хирального немезогенного вещества, показывает очень хорошие времена затекания внутрь ячейки после его выдавливания путём изменения под давлением зазора между стёклами ячейки от 7.2

мкм до 4.7 мкм. Обратное затекание ЖКС в ячейку происходит без потери оптического качества слоя в процессе течения, см. рис. 6. На рис. 5(а) показана кинетика обратного затекания в ячейку типичного нематического кристалла

Кинетика обратного затекания является экспоненциальным процессом с постоянной времени 0.45 секунды. Кинетика обратного затекания сегнетоэлектрической смеси нематика с немезо-генным хиральным веществом тоже экспоненциальная, как видно на рис. 5(б), но постоянная времени в данном случае 0.23 секунды. Таким образом, в рассматриваемом случае ЖКС внутри ячейки течёт даже быстрее нематического ЖК.

Отметим, что динамика течения ЖКС измерялась по положению спейсера – рис. 6, а изменение толщины слоя ЖКС в процессе течения происходило от 4.7 микрометров (синий цвет двулучепреломления на левой микрофотографии рис. 6) до 7.2 микрометров (красный цвет двулучепреломления на правой микрофотографии рис. 6) и вычислялось по изменению цветов двулучепреломления, как предложено в работе [5].

При хорошей текучести ЖКС внутри электрооптической ячейки в фазе SmC* сохраняются

а)

Рис. 4. Температурные зависимости угла наклона молекул ЖК смеси 19% на двух разных толщинах:

б)

1.5 мкм (треугольники) и 50 мкм (кружки) (а) и их производные по температуре (б)

а)                                                       б)

Рис. 5. Кинетика обратного затекания типичного нематика 5CB (а) и кинетика обратного затекания ЖК смеси 19% при 25 ^оС (б).

Рис. 6. Изменения текстуры слоя ЖКС в скрещенных поляроидах при изменении толщины слоя от 4.7 мкм (левое фото) до 7 мкм (правое фото). Обратное затекание ЖК смеси 19% при 25 ^оС. Стрелочкой указан спейсер, за которым производится слежение для описания кинетики течения.

быстрые времена отклика (менее 90 мкс), типичные для жидкокристаллических сегнетоэлектриков, как это видно на рис. 7.

• 3.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 4.    БЛАГОДАРНОСТИ

В рамках данной работы впервые получена сегнетоэлектрическая смектическая SmC* мезофаза, обладающая текучестью внутри электрооптической ячейки, как нематический жидкий кристалл. Таким образом, создан электрооптический материал, сочетающий в себе лучшие качества нематических и смектических* жидких кристаллов: микросекундные времена отклика и устойчивость его монодоменной структуры к механическим деформациям.

Авторы признательны кандидату химических наук Торговой Софье Исааковне за калориметрические исследования и доктору физико-математических наук Островскому Борису Исааковичу за рентгеноструктурные исследования.