Особенности оптического отклика и релаксации нематика, допированного квантовыми точками CdSe / ZnS

цами. Вместе с тем с увеличением содержания полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS в нематике с положительной диэлектрической анизотропией наблюдалось понижение фазовой задержки, что связано с увеличением начального угла наклона директора ЖК [2].

Оптический отклик нематического жидкого кристалла сопровождается модуляцией интенсивности и фазы оптического сигнала. Время отклика определяется динамикой процесса переориентации директора в слое жидкого кристалла [3]. Ускорению процесса переориентации молекул нематика способствуют увеличение начального угла наклона директора и уменьшение энергии сцепления ЖК с поверхностью [4]. На время оптического отклика ЖК устройств существенное влияние оказывают параметры электрического поля. Наиболее эффективное воздействие на переориентацию ЖК молекул оказывает приложение постоянного потенциала электрического поля. [5, 6] Для направленного создания нано-композитных сред на основе жидких кристаллов, допированных наночастицами, актуальным является проведение исследований динамики процесса переориентации молекул нематика и влияние на него концентрации наночастиц. Целью этой работы было исследование динамики отклика и релаксации ЖК ячеек с нематическим жидким кристаллом, допированных полупроводниковыми квантовыми точками CdSe/ZnS и влияния на время переключения концентрации наночастиц.

• 2.    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

  • 2.1.    Способ изготовления ЖК ячеек

• 2.2.    Измерение электрооптических характеристик ЖК ячеек

Все исследования проводились на плоскопараллельных ячейках с фиксированным зазором, состоящих из двух стеклянных подложек, на поверхность которых были нанесены слои

Таблица 1. Параметры ЖК ячеек

№ ЖК ячейки Толщина НЖК, мкм Концентрация КТ, мг/мл 1 14,5 0 2 13,2 0,5 3 13,4 1 4 13,6 1,5 прозрачного проводящего электрода на основе окислов индия и олова. Для создания гомогенной ориентации ЖК в качестве ориентирующего слоя использовался натертый полиимид. Толщину зазора ЖК ячеек контролировали путем измерения емкости пустой ячейки. В работе использовали ЖК-1282 (НИОПИК) с оптической анизотропией ∆n = 0,17 на длине волны 632,8 нм и диэлектрической анизотропией ∆ε = 9,9 на частоте 1 кГц. Полупроводниковые КТ CdSe/ZnS типа ядро-оболочка размером 3.5 нм использовали для допирования ЖК. Навески КТ 0.05, 0.1 и 0.15 мг/ мл добавлялись в нематическую мезофазу ЖК. Перед заполнением ячеек суспензия ЖК с КТ перемешивались в ультразвуковой ванне около 1 часа. В табл. 1 приведены данные о толщине слоя ЖК и концентрация КТ исследуемых ЖК ячеек.

При проведении экспериментов по измерению электрооптических характеристик ЖК ячеек была использована классическая оптическая схема. Ячейка с ЖК размещалась между двумя скрещенными поляризаторами. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазерный диод с длиной волны 0,65 мкм. Исследования особенностей оптического отклика и релаксации ЖК ячеек проводились с помощью многокомпонентной модульной системы управления на основе LTR34, позволяю-

Рис. 1. Изменение порогового напряжения ЖК ячеек в результате допирования КТ CdSe/ZnS

щей гибко изменять параметры электрического поля. С помощью компьютерной программы проводились автоматический ввод/вывод и обработки аналоговых и цифровых данных, а также управления оптическим откликом ЖК устройств [8]. Измерения динамических характеристик ЖК ячеек проводилось при приложении переменного электрического поля в форме прямоугольного импульса 30 В и частотой 1 кГц. Временные зависимости оптического отклика и релаксации регистрировались с помощью компьютерной программы для тестирования ЖК ячеек [9]. Погрешности измерения определяются погрешностью осциллографа и не превышают по нашим оценками 10%.

• 2.3.    Влияние допирования квантовыми точками CdSe/ZnS на оптический отклик и релаксацию нематического жидкого кристалла

Увеличение концентрации КТ в ЖК ячейках приводило к снижению порогового напряжения, как видно из зависимости на рис. 1. Значения порогового напряжения получены путем экстраполяции зависимостей фазовой задержки от эффективного напряжения, приложенного к ЖК ячейкам [7]. Изменение величины порога связано с уменьшением параметра порядка, который влияет на коэффициент упругости и диэлектри- ческую анизотропию жидкого кристалла, в соответствии с формулой

U _th = π K ₁    ε _î Δ ε

где К ₁₁ – коэффициент упругости поперечной деформации, ∆ ε - диэлектрическая анизотропия

ЖК и ε ₀ диэлектрическая проницаемость вакуума.

Оценка начального угла наклона директора в ЖК ячейках, по изменению максимального значения фазовой задержки показала, что при вариации концентрации от 0,5 до 1,5 мг/мл угол изменялся на ~8 градусов. Зависимость максимальной фазовой задержки измеренной с помощью классической оптической схемы, в которой ЖК ячейка размещена между поляризатором и скрещенным с ним анализатором, показана на рис. 2. Зависимость угла преднаклона директора ЖК представлена на рис. 3.

Понижение порога должно способствовать уменьшению времени оптического отклика ЖК ячеек допированых КТ в соответствии с формулой

Рис. 2. Изменение фазовой задержки ЖК ячеек в результате допирования КТ CdSe/ZnS

Концентрация, мг/мл

Рис. 4. Изменение времени полного отклика ЖК ячеек в результате допирования КТ CdSe/ZnS

Рис. 3. Изменение угла преднаклона директора ЖК ячеек в результате допирования КТ CdSe/ZnS

Рис. 5. Изменение времени оптической релаксации ЖК ячеек в результате допирования КТ CdSe/ZnS

т = ^Yd—^ ,     (2)

o    _{£ a} ^_£ (f^U ² - U ²)

где γ ₁ – вязкость и d – толщина слоя ЖК. Экспериментальная зависимость времени полного отклика от концентрации КТ на рис. 4 свидетельствует о тенденции к уменьшению времени отклика ЖК ячейки с увеличением её от 0,5 до 1,5 мг/мл.

Вместе с тем добавление КТ привело к замедлению процесса релаксации ЖК. Зависимость времени естественной релаксации от концентрации квантовых точек показана на рис. 5. Время естественной релаксации нематика зависит от вязкости и коэффициента упругости К ₃₃ в соответствии с формулой

^T off = ^Y 1 d ^П K 3 .            ⁽³⁾

Увеличение концентрации КТ должно при- водить к уменьшению параметра ориентационного порядка и понижению упругости нематика, что вызывает увеличение времени релаксации. Кроме того, введение в ЖК матрицу различных примесей, в том числе и квантовых точек, может увеличивать концентрацию объемного заряда, накапливаемого на межфазных границах ЖК ячейки, что так же способствует увеличению времени релаксации.

• 3.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы провели экспериментальные исследования оптических и динамических характеристик ЖК ячеек с гомогенно ориентированным натертым полиимидом нематическим жидким кристаллом, допированным полупроводниковыми квантовыми точками CdSe/ZnS. Полученные зависимости свидетельствуют о том, что с увеличением концентрации КТ до 1,5 мг/мл наблюдается понижение порогового напряжения, связанное с изменением параметра порядка и анизотропных и вязкоупругих свойств ЖК матрицы. При этом наблюдалось увеличение угла преднаклона директора до 8°. Показано, что при увеличении концентрации квантовых точек до 1,5 мг/мл время оптического отклика уменьшалось в 1,5 раза.