Оптические свойства нематиков

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.