НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

УДК 532.738; 548-14

КУРЙОЗ ЮРІЙ ІВАНОВИЧ

Переорієнтація

нематичних рідких кристалів в комірках

з світлочутливими орієнтуючими покриттями

01.04.15 - фізика молекулярних і рідких кристалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук

Резніков Юрій Олександрович,

Інститут фізики НАН України,

зав. відділом фізики кристалів

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

професор Пучковська Галина Олександрівна,

Інститут Фізики НАН України,

зав. відділом фотоактивності

доктор фізико-математичних наук

Лисецький Лонгин Миколайович,

Інститут Монокристалів НАН Україн, м. Харків,

провідний науковий співробітник

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН України,

відділення оптоелектроніки, м. Київ, Україна

Захист дисертації відбудеться " 27 " червня 2002 року о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д.26.159.01 при Інституті фізики НАН України (адреса: 03650, МПС, Київ-39, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий " 21 " травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Іщук В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Дослідження ефектів переорієнтації рідких кристалів (РК) є одним з найбільш популярних напрямків сучасної фізики РК. Звичайно, переорієнтація директора рідкого кристалу, , виникає за рахунок дії зовнішніх електричних, магнітних або оптичних полів, що діють на весь об'єм РК. При цьому в процесі переорієнтації граничні умови для директора не змінюються, а їх роль зводиться до завдання первісної орієнтації РК на підкладках комірки та повернення її до початкового стану після припинення дії зовнішнього поля.

Принципово інший тип орієнтаційних ефектів пов'язаний з переорієнтацією РК завдяки зміні граничних умов для директора на підкладках комірки, що відбувається під дією зовнішніх полів (surface-driven reorientation effects). Зокрема, такі зміни можуть відбуватися під дією світла. Ефект поверхнево-керованої переорієнтації РК за рахунок наведення та зміни осі легкого орієнтування, , на фоточутливій полімерній поверхні при опроміненні поляризованим світлом було відкрито Gibbons et al [1] та Dyadyusha et al [2] на початку останнього десятиріччя минулого століття. Причиною появи та зміни напрямку осі є світлоіндукована анізотропія полімеру, що виникає за рахунок поляризаційно-чутливої фотохімічної реакції при його опроміненні. Пізніше Gibbons et al [3], та Voloshchenko et al [4] спостерігали наведення осі легкого орієнтування на нефоточутливій поверхні в комірці, заповненій рідким кристалом та домішкою азобарвника, під дією опромінення лазерним поляризованим світлом. Цей ефект виникає за рахунок світлоіндукованої адсорбції молекул барвника, що призводить до анізотропії на поверхні підкладки, тобто до виникнення осі легкого орієнтування.

Світлоіндуковані поверхнево-керовані ефекти переорієнтації РК є багатообіцяючими, як з точки зору фундаментальної науки, так і їх практичного застосування. Вісь легкого орієнтування та енергія зчеплення РК, W, можуть ефективно керуватись зміною характеристик опромінюючого світла. Так, напрямок його поляризації задає напрямок осі , а час опромінення та інтенсивність світла – значення W. Це дає можливість прецизійно контролювати ці найважливіші параметри зчеплення РК з орієнтуючими поверхнями, і вивчати вплив характеристик взаємодії директора з поверхнями на об'ємні властивості РК. Можливість просторової модуляції параметрів та W за рахунок просторової модуляції поляризації та інтенсивності опромінюючого світла дає можливість високоефективного запису статичних та динамічних голограм, бінарних транспарантів та високо інформаційних оптичних зображень (Slussarenko et al [5]).

На початок виконання дисертаційної роботи світлоіндуковані поверхнево-керовані ефекти було вивчено тільки в найпростіших випадках планарної орієнтації РК та опубліковані якісні спостереження цих ефектів в комірках з гомеотропною орієнтацією рідкого кристалу. У той же час для глибокого розуміння механізмів світлоіндукованої переорієнтації директора необхідно вивчити ці ефекти при різних геометріях опромінення та орієнтації РК і для різноманітних орієнтуючих поверхонь та дослідити вплив зовнішніх полів на характеристики переорієнтації. Все це обумовлює актуальність теми дисертаційної роботи.

Метою роботи було вивчення переорієнтації нематичних рідких кристалів за рахунок світлоіндукованої зміни граничних умов в комірках з світлочутливими орієнтуючими покриттями.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше:

1. Запропонована феноменологічна модель поверхнево-керованої переорієнтації директора в об'ємі рідкого кристалу під дією світла, яка пов'язує зміну орієнтації РК з світлоіндукованою зміною енергії зчеплення та осі легкого орієнтування на фоточутливій орієнтуючій поверхні. Встановлено, що переорієнтація директора є пороговою в комірці з гомеотропно орієнтованим рідким кристалом та безпороговою в комірках з гібридною орієнтацією.

2. Знайдено та вивчено ефект зміни напрямку світло-індукованної осі легкого орієнтування РК на поверхні полісилоксан-циннамату з фоточутливим боковим фрагментом. Запропонована феноменологічна модель цього ефекту, яка пов'язує зміну орієнтації РК з конкуренцією двох фотохімічних процесів у шарі полісилоксан-циннамату.

3. Виявлено та досліджено ефект бістабільної орієнтації рідкого кристалу на фоточутливій полімерній поверхні при опроміненні РК комірки поляризованим світлом при одночасній дії магнітного поля.

4. Запропоновано електрично-керовану переорієнтацію директора в площині РК комірки з фотоорієнтуючою поверхнею та вивчено залежність електро-оптичних характеристик комірки від величини енергії зчеплення РК з орієнтуючою поверхнею.

5. Розроблена фоточутлива орієнтуюча поверхня із стабільною в часі аномально малою енергією зчеплення, що дозволило запропонувати новий тип РК- приладу.

Практична цінність роботи

1. Результати вивчення ефекту світлоіндукованої переорієнтації директора в РК комірці з гомеотропними граничними умовами дозволяють розробити нові типи світло-керованих оптичних модуляторів та індикаторів ультрафіолетового випромінювання.

2. Знайдений ефект зміни напрямку орієнтації світлоіндукованої вісі легкої орієнтації при збільшенні часу опромінення поляризованим світлом може бути використаний в технології виробництва сучасних полідоменних РК дисплеїв з широких кутом огляду.

3. Розроблений спосіб магнітооптичної бістабільної похилої орієнтації нематичного РК може знайти широке застосування у виробництві бістабільних рідкокристалічних приладів.

4. Запропонований IPS-прилад, який базується на ковзанні директора рідкого кристалу по поверхні фотоорієнтанту з "слабкою" енергією зчеплення при прикладанні електричного поля (in-plane slippage device), що дозволяє суттєво знизити параметри керуючої напруги у порівнянні з існуючими приладами, що використовують переорієнтацію РК в площині комірки.

Внесок автора

Автор брав участь у постановці задач, розглянутих у дисертації, самостійно проводив усі експерименти та отримав усі основні результати дисертаційної роботи. Автором була створена установка для магнітооптичної орієнтації рідких кристалів, розроблені методи приготування світлочутливих полімерних поверхонь для оптичної орієнтації рідких кристалів, розроблені методики тестування IPS-комірок з фоточутливими поверхнями. Автор разом із співавторами приймав рівноправну участь у інтерпретації експериментальних результатів та формулюванні фізичних моделей явищ, що вивчалися в дисертації.

Достовірність наукових результатів забезпечувалася використанням надійних та досконалих сучасних експериментальних методик досліджень, перевіркою відтворюваності результатів, статистичною обробкою експериментальних даних, а також порівнянням теорії та експерименту і узгодженням з існуючими літературними даними.

Апробація роботи

Матеріали дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній школі-конференції "Electronic Processes in Organic Materials" ISEPOM'95 (Київ, Україна, 1995), XII Міжнародній Європейській конференції з рідких кристалів ECLC`97 (Закопане, Польща, 1997), Міжнародній школі з новітніх нелінійно-оптичних матеріалів та їх застосувань NOMA`97 (Четраро, Італія, 1997), 7-й Міжнародній конференції з оптики рідких кристалів, OLC`97 (Хепенхейм, Германія, 1997), 7-й Міжнародній конференції з нелінійної оптики і фізики рідких та фоторефрактивних кристалів, NOLPC`97, (Партенід, Крим, Україна, 1997), 17-й Міжнародній конференції з рідких кристалів, ILCC'98 (Страсбург, Франція, 1998), Европейській конференції з рідких кристалів, ECLC`99 (Крит, Греція, 1999), XIII Міжнародній Європейській конференції з рідких кристалів, ELCL`99 (Криниця, Польща, 1999), VIII Міжнародному симпозіумі " Advanced Display Technologies", SID (Новий Світ, Крим, Україна,1999), 8-й Міжнародній конференції з нелінійної оптики і фізики рідких та фоторефрактивних кристалів, NOPLC`2000 (Алушта, Крим, Україна), XIV Міжнародній Європейській конференції з рідких кристалів ELCL`01 (Закопане, Польща, 2001), Міжнародній конференції з оптики рідких кристалів OLC`01(Соренто, Італія, 2001) та на семінарах відділу фізики кристалів Інституту фізики НАН України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в рамках наукових тем 1.4.1 В/29 58 № Держреєстрації 0196 U014441 "Вивчення впливу поверхні твердого тіла на об'ємні властивості та молекулярну структуру рідких кристалів" 1996-1999 рр.; 1.4. В/58 № Держреєстрації 0199 U000885 "Оптичні та нелінійно оптичні властивості рідких кристалів з керованими граничними умовами" 1999-2001 рр.; проекту Міжнародного наукового фонду "Світлоіндуковані орієнтаційні переходи в рідких кристалах" 1996-1997 рр. та CRDF Grant UP1 2121A "Random and Regular Anchoring of Nematic Liquid Crystal with Aligning Surfaces" (2000-2001рр.)

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 8 робіт.

Об'єм роботи.

Дисертація викладена на 116 сторінках, має вступ, 4 розділи, висновки, містить 42 малюнки та 1 таблицю. Бібліографія містить 107 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі зроблено аналіз способів орієнтації рідких кристалів. При цьому особливу увагу приділено фотоорієнтації РК на світлочутливих полімерних поверхнях, ефектам переорієнтації директора на цих поверхнях та їх використання в системах відображення та запису інформації. Обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи та її місце в сучасних дослідженнях РК. Сформульовано мету роботи, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів. Приведений стислий зміст дисертаційної роботи.

В першому розділі дисертації вивчено ефект переорієнтації директора в полярній площині РК-комірки за рахунок світлоіндукованої зміни параметра зчеплення рідкого кристалу з орієнтуючою поверхнею.

Теоретичний аналіз світлоіндукованої переорієнтації директора в полярній площині був проведений в сумісній роботі з Д.А. Андрієнком [6]. Були розглянуті комбіновані РК- комірки, які складалися з референтної нефоточутливої поверхні з відомим зчепленням, та тестової фоточутливої поверхні (Рис.1). В таких комірках кут нахилу директора на тестовій поверхні, , може бути знайдений з рівняння:

, (1)

де - параметр зчеплення - кут переднахилу на тестовій поверхні, - кут переднахилу на референтній поверхні, в залежності від значення якого можливі три випадки.

Рис. 1. Геометрія комбінованої РК комірки.

1. Для (Рис.2, крива 1) і , тільки планарний розподіл є стабільним. Для реалізується гібридний розподіл з похилою орієнтацією директора на тестовій поверхні. В цьому випадку зниження обумовлює монотонне підвищення кута, тобто плавну переорієнтацію директора в напрямку.

2. Для (Рис.2, крива 2), при збільшені кут нахилу монотонно зменшується при відсутності критичних точок для .

3. Для = p/2 (Рис.2, крива 3) тільки рішення є стабільним для. Для розподіл директора стає "похилим" у напрямку і кут зменшується при підвищенні.

Таким чином, при плавній зміні параметра зчеплення, для і переорієнтація директора РК на тестовій поверхні повинна мати порогову поведінку. Якщо параметр зчеплення змінюється завдяки впливу світла, то цей орієнтаційний перехід є світлоіндукованим переходом зчеплення і є поверхневим аналогом добре відомого світлоіндукованого ефекту Фредерікса [7]. Плавна переорієнтація директора на поверхні для похилого напрямку легкої осі є аналогом гігантської оптичної нелінійності.

В якості фотоорієнтуючих поверхонь нами були вибрані полімери, що містять фоточутливі бокові фрагменти на основі азобарвників. Опромінення шарів таких полімерів світлом УФ та видимого діапазону спектру призводить до зміни орієнтації на них рідкого кристалу завдяки зміні співвідношення між транс- та цис- ізомерами азо-фрагментів [8,9]. Концентрація транс- і цис- ізомерів плавно змінюється з дозою та інтенсивністю опромінення і тому енергія та параметр зчеплення повинні також плавно змінюватись під дією світла.

В наших дослідах, як тестові фоточутливі поверхні, ми використовували шари поліакрілату*, нанесені на кварцові підкладки. Поліакрілат належить до класу полімерів, у бокових фоточутливих азо-фрагментах якого відбувається транс-цис- ізомеризація під впливом УФ світла. Цей полімер забезпечує гомеотропну орієнтацію нематичного РК 5ЦБ (EM Industries).

Рис. 2. Залежність кута переднахилу qтест від зміни параметра зчеплення .

Як референтні ми використовували три типи поверхонь з різними значеннями кута переднахилу.

1) натертий поліімід (ПІ), що забезпечував квазі-планарну орієнтацію РК 5ЦБ з малим кутом переднахилу ();

2) косонапиленний In2O3, що забезпечував похилу орієнтацію РК 5ЦБ з великим кутом переднахилу ();

3) полідіметил-силоксан (ПС), що давав гомеотропну орієнтацію нематичного РК 5ЦБ ().

Всі ці поверхні забезпечували жорстке зчеплення РК.

Таким чином, ми досліджували три типи комірок з різними референтними нефоточутливими поверхнями, та тестовою фоточутливою поверхнею: комірку з гомеотропно-планарною орієнтацією, комірку з гометропно-похилою орієнтацією, та комірку з гомеотропною орієнтацією.

За допомогою тестуючого світла He-Ne лазера (lтест = 0.63 мкм) реєструвалась зміна двопроменезаломлення РК при опроміненні комірок УФ-світлом. У випадку гібридної комірки з похилою орієнтацією, вектор поляризації УФ-світла, , був паралельний до директора РК на референтній поверхні. У випадку гомеотропної комірки напрямок вектору поляризації був довільний. Було перевірено, що УФ світло не впливало на референтну підкладку та на оптичні властивості і орієнтацію рідкого кристалу. Тому, виникаючі зміни орієнтації рідкого кристалу під впливом УФ опромінення могли бути обумовлені тільки дією світла на тестову поверхню. У цьому випадку інтенсивність тестуючого променя на виході з аналізатора визначалась зміною двопроменезаломлення РК при переорієнтації директора завдяки зміні кута переднахилу на тестовій поверхні.

Було знайдено, що опромінення УФ-світлом призводить до переорієнтації РК в усіх вищезгаданих комірках і початкова орієнтація РК відновлювалась через декілька хвилин після закінчення опромінення. Залежність інтенсивності світла на виході з аналізатора від часу опромінення, tексп , для всіх трьох типів комірок представлена на Рис. 3.

Рис. 3. Залежність інтенсивності світла тестуючого променя на виході з аналізатора від часу опромінення

Видно, що в гібридних комірках з похилою орієнтацією осі легкого орієнтування, орієнтація директора плавно змінюється з самого початку опромінення. У той же час в комірці з гомеотропно-орієнтованим РК переорієнтація директора починається тільки через деякий час після початку опромінення. Розрахована з рівняння (1) залежність зміни кута переднахилу та параметра зчеплення з часом опромінення показана на Рис.4.

Таким чином, у відповідності з теоретичним розглядом в комірках з похилою орієнтацією рідкого кристалу, монотонні світлоіндуковані зміни параметра зчеплення приводять до безпорогової переорієнтації директора, а в комірках з гомеотропною орієнтацією такі ж зміни параметра зчеплення ведуть до порогової переорієнтації директора, яка починається при досягненні певного значення .

Рис. 4. Залежність кута переднахилу і параметра зчеплення від часу опромінення.

Нами також було спостережено критичне зростання флуктуацій директора поблизу порогового значення =1. Виявлено, що інтенсивність розсіяння світла без зміни площини поляризації (ее-розсіяння), залежить від часу опромінення комірки. Одночасно ми реєстрували експозиційну залежність двопроменезаломлення тієї ж комірки, яке безпосередньо пов'язано з процесом переорієнтації директора РК. Встановлено, що в гомеотропній комірці зростання інтенсивності розсіяння світла починається раніше, ніж починається переорієнтація директора. В гібридних комірках з похилою орієнтацією РК, де переорієнтація директора є безпороговою, зростання інтенсивності розсіяння світла починається одночасно з переорієнтацією директора. Отримані результати демонструють, що світлоіндукована порогова переорієнтація РК в гометропній комірці є орієнтаційним переходом другого роду [6].

В другому розділі дисертації вивчено ефект переорієнтації директора в азимутальній площині РК-комірки за рахунок світлоіндукованої зміни знаку параметра зчеплення рідкого кристалу з орієнтуючою поверхнею. Переорієнтація РК проявляється в зміні осі легкої орієнтації з паралельної на перпендикулярну до початкової при збільшенні часу опромінення. Ефект обумовлений конкуренцією двох фотохімічних процесів, що призводять до орієнтації РК у взаємно-перпендикулярних напрямках. В якості фотоорієнтанта було використано модифікований полісилоксан-циннамат (ПСЦН).

Шар ПСЦН опромінювався поляризованим світлом УФ лампи суцільного спектру випромінювання. Вивчалися комбіновані РК комірки, що складалися з референтної і тестової підкладок та РК між ними. Референтна складалася з натертого полііміду та забезпечувала жорстке планарне зчеплення РК з малим кутом переднахилу (< 1o). Тестова підкладка була зроблена з ПСЦНу, що задавав планарне зчеплення РК з кутом переднахилу < 1o. Товщина комірок була L .5;  мкм. Комірки заповнювались рідким кристалом, як в нематичній так і в ізотропній фазі.

Аналіз орієнтації РК при спостережені у поляризаційний мікроскоп показав, що напрямок світлоіндукованої осі легкого орієнтування відносно поляризації залежить від часу опромінення tекс. Для цього був проведений аналіз орієнтації РК в двох комірках 65 мкм-товщини, в яких вісі легкого орієнтування співпадали з напрямком директора на підкладках (жорстке зчеплення). Шар ПСЦНу в першій комірці був опромінений світлом з поляризацією паралельною довшій стороні підкладки. В другій комірці шар ПСЦН був опромінений світлом з перпендикулярним напрямком поляризації. При цьому напрямок натирання на референтних поверхнях був однаковий. Аналіз текстур показав, що при tекс = 2 хв. в першій комірці спостерігається однорідна планарна структура, а в другій – однорідна (90±1)o-твіст структура. Коли ж час опромінення дорівнював tекс = 10 хв., то в першій комірці спостерігається (90±1)o - твіст структура, а в другій - планарна. Таким чином, вектор паралельний при коротких експозиціях, в той час як при довгих експозиціях перпендикулярний до.

В описаних експериментах кут a між і був 90о, тобто залежність напрямку директора на тестової поверхні від параметра зчеплення була пороговою. Ця ж залежність для не порогового випадку - a азана на Рис.5.

Рис. 5. Залежність кута відхилення директора на поверхні ПСЦН від часу опромінення.

В тонких комірках (L = 6,5 мкм) в неопромінених областях директор на тестовій поверхні співпадав з напрямком директора, , на референтній поверхні. При (tекс Ј 28 хв.) директор плавно переорієнтувався в напрямку вектора з ростом експозиції (кут орієнтації директора відносно напрямку директора на референтній поверхні, jтест > 0). При великих експозиціях (tекс і 40 хв.) він плавно переорієнтувався в напрямку перпендикулярному до вектора (jтест < 0). В обох випадках директор досягав положення || чи ^ . В перехідній зоні спостерігалася полідоменна планарна структура з областями з обома типами орієнтації директора (jтест > 0 і jтест < 0). Ці області були розділені стінками з товщиною l ~ 20 mм. При зростанні експозиції загальна площа областей з jтест < 0 збільшувалась за рахунок зменшення областей з орієнтацією jтест > 0.

В товстих комірках (L = 65 mм) була отримана якісно таж сама залежність, але директор досягав значення jтест = 45о при малих експозиціях і значення jтест = - 45о при великих експозиціях. Крім того, перехідна зона звужувалась, а товщина стінок між областями з різними знаками jтест була значно меншою (l ~ 2мкм).

Отримана залежність jтест(tекс) природнім чином пояснюється світлоіндукованою зміною значення і знака енергії зчеплення зі збільшенням часу експозиції. Відомо, що різниця між орієнтацією директора і напрямком легкої вісі визначається значенням параметра зчеплення В комбінованій комірці кут jтест задається рівнянням [4]

(2)

В цьому рівнянні jтест визначає напрямок, а 45о – вісь легкого орієнтування паралельну . При напрямки та співпадають (jтест = 45о). При малих параметрах зчеплення різниця (jтест - 45о), тобто різниця між напрямками та тим більше, чим менше. При рідкий кристал орієнтований вздовж напрямку директора на референтній поверхні з жорстким зчепленням (jтест = 0). Саме остання ситуація реалізується в нашому випадку при tексп = 0, коли тестова поверхня ізотропна, енергія зчеплення мала і орієнтація директора в комірці і на поверхні ПСЦН паралельна орієнтації на референтній поверхні. З початком опромінення виникає легка вісь, яка паралельна вектору поляризації, тобто jтест і Wтест > 0. Зростання кута jтест з ростом часу опромінення обумовлено підвищенням значення Wтест. Проходячи через максимум, значення jтест зменшується, тобто Wтест починає зменшуватися, наближаючись до перехідної зони. Після проходження перехідної зони кут jтест змінює знак і директор починає орієнтуватися в сторону перпендикулярну до . Це значить, що енергія зчеплення змінює знак, (W< 0) і її негативне значення в подальшому зростає з експозицією. В товстій комірці кут відхилення директора досягає значень jтест = ± 45о, так-як товщина комірки досить велика, тому параметр і директор орієнтується вздовж.

Дуже цікавим є питання про природу перехідної області. Ця перехідна зона може бути наслідком або відхилення потенціалу взаємодії РК з поверхнею від потенціалу Рапіні, або наслідком просторових неоднорідностей, властивих поверхні ПСЦНу. У першому випадку перехідна зона є зоною бістабільної орієнтації, тобто зоною експозицій, де існують дві стабільні взаємно-перпендикулярні напрямки осі легкого орієнтування навіть на ідеально однорідній орієнтуючий поверхні. Наші експерименти показали, що після перегріву комірки в ізотропну фазу та її подальшого охолодження, неоднорідності орієнтації в проміжній зоні відтворюються, тобто бістабільність в нашій системі не реалізується. Тому найбільш ймовірно, що області з різною орієнтацією з'являються завдяки просторовим неоднорідностям поверхні ПСЦН. В цьому випадку ширина стінок між областями з різною орієнтацією повинна бути обернено пропорційною товщині комірки, що було спостережено експериментально.

Мікроскопічна природа ефекту зміни напрямку осі легкого орієнттування потребує подальшого вивчення. Ми пропонуємо модель, яка базується на літературних даних про існування двох основних фотохімічних реакцій у полісилоксанах – крослінкуваня (зшивання) і транс-цис ізомеризації цинамоільних груп [10]. Перший процес у ПСЦН призводить до виникнення вісі легкої орієнтації паралельної поляризації світла, а другий – перпендикулярної поляризації світла. Таким чином, в системі діють два мікроскопічних механізми, які характеризуються енергіями зчеплення різних знаків. Динаміка світло-індукованої анізотропії і характеристичні часи цих механізмів різні, тобто змагання між ними і відповідає за переорієнтацію директора рідкого кристалу.

У третьому розділі дисертації досліджено ефект магнітно-керованої фотоорієнтації рідкого кристалу. Виявлено бістабільну орієнтацію РК на фоточутливій полімерній поверхні при опроміненні заповненої комірки поляризованим світлом і одночасній дії магнітного поля.

В роботі ми використовували як симетричні, так і комбіновані комірки. В комбінованих комірках референтна підкладка була скляна, а тестова - кварцова.

Референтна підкладка була покрита натертим поліімідом (ПІ), який забезпечував кут переднахилу qПІ ” 2o і жорстке зчеплення РК з поверхнею. Тестова підкладка була покрита шаром флуоро-полівініл-циннамату (ПВЦНу).

Порожня комірка товщиною 65 мкм розташовувалась між полюсами електро-магніту так, що вектор магнітного поля знаходився в площині, паралельній до площини комірки (Рис. 6). Комірка заповнювалась РК 5ЦБ при Т ~ 60oC > Тс = 34.5 o C і вільно охолоджувалась в магнітному полі ” 8 кГс до кімнатної температури при одночасному опроміненні поляризованим УФ світлом ртутної лампи (Iуф ” 5 мВт см-2) зі сторони тестової підкладки.

Рис. 6. Схема опромінення РК комірки в магнітному полі.

В опромінених в магнітному полі комірках (tекс = 10 ё 240 хв.) при значеннях кута a № 0; 90о між та нормаллю до площини комірок (Рис. 6), спостерігалась однорідна похила планарна орієнтація РК, перпендикулярна напрямку.

Виміри величини кута переднахилу иПВЦН при різних значеннях a = 45; 60; 70 та 80о показали, що значення иПВЦН = 20о ± 5 о не залежить від кута a. Напрямок переднахилу задався напрямком поля, тобто орієнтація РК на поверхні ПВЦН задавалася знаком a.

Було виявлено виключно високу стабільність магніто-оптичної орієнтації. Ми не знайшли ніяких змін кута переднахилу qПВЦН на протязі двох з половиною місяців збереження комірки при кімнатній температурі. Значення qПВЦН не змінювалось при витримуванні комірки при Т = 145оС на протязі 2 годин.

В неопроміненій, але охолодженій в магнітному полі комірці, значення переднахілу qПВЦН зразу ж після охолодження було 2 ё 4o. Це значення зменшувались з часом та дорівнювало нулю після ~ 4 діб при кімнатній температурі. Без магнітного поля переднахил на опроміненій поверхні, иПВЦН = 0.

Відомо, що в фотоорієнтантах напрямок осі легкого орієнтування подвійно вироджений, тобто існують два однакових напрямки переднахилу [11]. Це означає, що фотоорієнтуючі поверхні є орієнтаційно бістабільними. Нами вперше було реалізовано переходи між двома стабільними поверхневими орієнтаціями директора на фоточутливій поверхні. На Рис.7 показана експериментальна залежність інтенсивності світла, I, що пройшло крізь комірку та схрещенні поляризатори, від кута b між напрямком світлового пучка та нормаллю до площини комірки. Напрямок та величина переднахилу при такій геометрії визначається напрямком та величиною зсуву кривої I(b) відносно положення комірки з b = 0. На Рис.7а показана крива I(b), що відповідає початковій орієнтації РК, яка була отримана при a = 45о. Перегрів комірки в ізотропну фазу і її наступне охолодження в магнітному полі при a = - 45о призводить до залежності I(b), представленої на Рис. 7б. Зсув кривої у протилежний бік від b = 0 говорить про зміну знаку переднахилу иПВЦН, а те, що величина зсуву не змінюється, вказує на збереження значенняЅqПВЦН Ѕ. Перехід між двома стабільними похилими орієнтаціями було спостережено при кутах a = 10; 20; 30; ... 80о. При a = 0; 90о мала місце неоднорідна, квазі-планарна орієнтація.

Рис. 7. Залежності інтенсивності світла за аналізатором при обертанні комірки для кутів a = 450(а) і a = –450(б).

В нематичній фазі перехід між двома стабільними похилими орієнтаціями під дією магнітного поля ускладнений через орієнтаційну пружність РК. Наприклад, в комбінованій комірці орієнтаційні стани з кутами (qПВЦН, qПІ) і ( - qПВЦН, qПІ) топологічно не еквівалентні. Тому перехід між qПВЦН і - qПВЦН характеризується високим енергетичним бар'єром. Для мінімізації впливу орієнтаційної пружності ми використали товсту (L=65мкм) гібридну комірку, що складалася з референтної підкладки, покритої азо-акрілатом, що задавав гомеотропну орієнтацію і тестової підкладки. Тестова підкладка виготовувалася методом магніто-оптичної орієнтації, описаним вище. Комірка заповнювалась РК 5ЦБ в нематичній фазі. В такій комірці стани з кутами (qПВЦН, q реф) і ( - qПВЦН, qреф) топологічно еквівалентні і бар'єр між ними невисокий. В цій геометрії орієнтаційний перехід відбувався в нематичній фазі при температурі РК TNI-T ” 2-50C і полях H = 7 – 8 кГс. При нижчих температурах перехід не спостерігався, що говорить про збільшення енергетичного бар'єру завдяки орієнтаційній пружності рідкого кристалу.

У четвертому розділі дисертації досліджено електрично-керовану переорієнтацію директора в площині фотоорієнтанту з керованою енергією зчеплення, та запропонована нова мода переорієнтації директора – мода "ковзання" директора (In-plane Sliding Mode, IPSl-mode).

До початку наших досліджень азимутальна переорієнтація директора під дією електричного поля досліджувалась лише у випадку жорсткого зчеплення, тобто орієнтація директора на поверхні підкладок залишалася незмінною при його переорієнтації в об'ємі комірки. Така переорієнтація використовується в моді площинного перемикання РК (In-plane Switching Mode, IPS-mode).

В IPS комірці підкладки забезпечують сильне зчеплення і планарну орієнтацію РК. На одній з підкладок знаходяться смугасті електроди, що забезпечують переорієнтацію директора РК в азимутальній площині при вмиканні електричного поля.

Електричне поле переорієнтує директор РК в об'ємі при його фіксованому положенні на підкладках. Коли деформації директора стають такими, що перестають виконуватись умови адіабатичного розповсюдження світла через РК, пропускання світла, що проходить крізь комірку, змінюється. IPS-мода надзвичайно перспективна для використання в РК-дисплеях для збільшення кута огляду, але характеризується великою керуючою напругою (Uкер ~ 6V).

З появою фотоорієнтантів з'явилася можливість керувати енергією зчеплення, за допомогою зміни експозиції опромінення і отримувати поверхні з малою енергією зчеплення.

Рис. 8. Геометрія IPSl--комірки

В цьому випадку директор РК під дією електричного поля переорієнтується не тільки в об'ємі, але і на поверхні РК, енергія, необхідна для такої переорієнтації зменшується і керуюча напруга теж суттєво зменшується. Розрахунки показали, що в комбінованій комірці з референтною поверхнею, що забезпечує жорстке зчеплення та тестовою поверхнею зі слабким зчепленням, керуюча напруга може бути знижена в два рази в порівнянні з звичайною IPS-модою [12]. Крім того, в такій комірці директор переорієнтується не тільки в об'ємі, але і на тестовій поверхні. В результаті, в комірці під дією поля в площині підкладок індукується плавна твіст-структура директора. В такій структурі виконуються умови адіабатичного розповсюдження світла, тобто комірка працює як ротатор площини поляризації світла. Це дало нам змогу запропонувати новий тип РК-моди – моду "ковзання" директора або In-plane Sliding Mode. В цій моді зміна пропускання комірки між схрещеними поляризаторами відбувається за рахунок "ковзання" директора по поверхні з слабким зчепленням (Рис.8). На відміну від більшості відомих РК-мод, в IPSl-моді зміна пропускання світла обумовлена не зміною двопроменезаломлення, а поворотом площини поляризації світла. IPSl-мода характеризується малими керуючими напругами та широким кутом огляду.

В експерименті ми використовували комбіновані комірки товщиною 5 мкм, які складалася з референтної натертої ПІ поверхні з жорсткою енергію зчеплення і кутом переднахилу qреф = 1.50 і тестової поверхні. Тестова підкладка мала смугасті електроди з шириною 5 і відстанню 10 мкм між ними. Електроди були покриті шаром пара-ПВЦН. Він має унікальну властивість відсутності ефекту орієнтаційної пам'яті (memory-free material), тобто його енергія зчеплення та напрямок осі легкого орієнтування суттєво не залежить від часу життя РК комірки.

Тестові підкладки були опромінені поляризованим УФ світлом так, що наведена вісь легкої орієнтації складала з напрямком смугастих електродів нульовий кут. Інтенсивність УФ лампи була 5 мВт/см2 в площині підкладки. Час експозиції складав tексп = 5; 10; 30 і 300 секунд, що відповідало зміні азимутальної енергії зчеплення для РК 5ЦБ в межах Wтест = 2 (10-4 ё 10-2) ерг/см2 [13]. Комірки заповнювались РК 5ЦБ в нематичній фазі.

До РК комірки прикладалось електричне поле частотою 100Гц перпендикулярно напрямку директора. Типові вольт-контрастні характеристики для різних значень часу опромінення, представленні на Рис 9. Видно, що значення порогової і керуючої напруги знижуються із зменшенням часу опромінення, тобто зі зменшенням енергії зчеплення. Для "слабкої" енергії зчеплення Wтест = 2 10-4 ерг/см2 значення порогової напруги дорівнюють Uпор = 0.95В і керуючої Uкер = 1.5В відповідно. Для "сильної" енергії зчеплення Wтест = 2 10-2 ерг/см2 ці значення становлять Uпор=1.9В, Uкер= 5В.

Рис. 9. Залежності пропускання IPSl-комірок в схрещених поляризаторах від напруги для тестових поверхонь з різною енергією зчеплення.

В комірках із "слабкою" енергією зчеплення (tексп = 5 і 10 сек) при прикладеному полі поворотом аналізатора можна було досягти темного стану комірки, тобто виконується адіабатичний режим для проходження світла через комірку і пучок на виході з комірки є лінійно поляризований.

Важливим параметром РК комірок є т. з. час відгуку, тобто сума часів вмикання і вимикання РК комірки. У нашому випадку він складав 60 мсек, що не гірше за часи відгуку традиційної IPS-моди.

Основні результати і висновки

1. Поверхнево керована переорієнтація директора в полярній площині РК-комірки, за рахунок світлоіндукованої зміни параметра зчеплення на фоточутливій поверхні, є пороговою в комірках з гомеотропно орієнтованим РК та безпороговою в комірках з гібридною орієнтацією. Переорієнтація директора починається при досягненні критичного значення енергії зчеплення на фоточутливій орієнтуючій підкладці.

2. Опромінення фоточутливої поверхні полісилоксан-циннамату ультрафіолетовим світлом з фіксованим напрямком поляризації, приводить до переорієнтації директора РК в азимутальній площині за рахунок світлоіндукованої зміни величини та знаку параметра зчеплення. Переорієнтація РК проявляється в зміні осі легкого орієнтування з паралельної на перпендикулярну до початкової при збільшенні часу опромінення і пов'язана з конкуренцією двох фотохімічних процесів, що призводять до орієнтації РК у взаємно-перпендикулярних напрямках. Показано, що існує три області орієнтації осі легкого орієнтування, , в залежності від часу опромінення: чч малі експозиції), ^(великі експозиції) та проміжна "двофазна" область, де можливі обидві орієнтації.

3. Опромінення поверхні фоточутливого полімеру ПВЦНу при одночасній дії магнітного поля призводить до бістабільної похилої орієнтації нематичного РК 5ЦБ. Магніто-оптична орієнтація характеризується високою часовою та температурною стабільністю. Переходи між еквівалентними напрямками осі легкого орієнтування при прикладанні магнітного поля можливі, як при охолоджені комірки з ізотропної фази, так і в мезофазі поблизу переходу в ізотропну фазу.

4. Виявлено, що при електрично-керованій переорієнтації директора в площині комбінованої комірки, що складається з підкладки з жорстким зчепленням і підкладки з фотоорієнтантом, зменшення енергії зчеплення призводить до росту кута переорієнтації директора на фотоорієнтуючій поверхні та появи твіст-структури. При прикладанні електричного поля розподіл директора в твіст-структурі може бути досить плавним для виконання умов адіабатичного розповсюдження світла і РК комірка працює як ротатор площини поляризації. Це дає змогу реалізувати нову моду переорієнтації директора ("in plane sliding mode" – IPSl), робота якої базується на ефекті ковзання директора РК по поверхні фотоорієнтанту з слабкою енергією зчеплення. Мода характеризується малою керуючою та пороговою напругами.

Результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Andrienko D., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Reshetnyak V. Surface driven transition in a nematic liquid crystal cell // JETP. – 1997. – Vol. – 112, 6(12). – P. 2045-2055.

2. Andrienko D., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Reshetnyak V. Light-induced surface-mediated director reorientation in a nematic cell // Proc. SPIE. – 1998. – Vol. 3318. – P. 312-316.

3. Andrienko D., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Rozenblatt Ch, Petschek R.,Lavrentovich O. , Subacius D. Tilted photoalighnment of a nematic liquid crystal induced by a magnetic field // J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 83(1). – P . 50-55.

4. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reshetnyak V., Reznikov Yu. Light-Induced Anchoring Transitions and Bistable Nematic Alignment on Polysiloxane-Based Aligning Surface // Mol. Cryst. Liq. Cryst. – 1998. – Vol. 321. – P. 299- 307.

5. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reshetnyak V., Reznikov Yu. Photoinduced liquid crystal anchoring transition on polysiloxane-based aligning surface // Proc. SPIE. – 1998. – Vol 3488. – P. 175-179.

6. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Barbet F., Bormann D.,

Warenghem M., Khelifa B. Photoalignment Of Pentyl-Cyanobiphenyl On The Fluorinated Polyvinil-Cinnamates Induced By UV And Visible Light // Mol. Cryst. Liq. Cryst. – 1999. – Vol. 329. – P. 219- 226.

7. Andrienko D., KuriozYu., Kwon S. B., Reznikov Yu., Warenghem M. Slippage of director of nematic liquid crystal over photosensitive aligning surface // Proc. SPIE. – 2000. – Vol. 4147. – P. 265-271.

8. Andrienko D., Barbet F., Bormann D., Kurioz Yu., Kwon S.-B., Reznikov Yu., Warenghem M. Electrically controlled director slippage over photosensitive aligning surface; in-plane sliding mode // Liquid Crystals. – 2000. – Vol. 27, N 3. – P. 365-370.

та тезах конференцій

1. Andrienko D., Kurioz Yu., Reznikov Yu. Light-Induced Anchoring Transition Onto the Surface of Azopolymer International School-Conference "Electronic Processes in Organic Materials // ISEPOM'95 – Kyiv (Ukraine). – 1995.

2. Andrienko D., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Reshetnyak V. Surface-mediated director reorientation in a nematic cell due European Conference on Liquid Crystals // ECLC`97. – Zakopane (Poland). – 1997.

3. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reznikov Yu. Surface driven reorientation effects in liquid crystals initiated by light // NOMA'97. – Cetraro (Italy). – 1997.

4. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reznikov Yu. Measurement of controllable azimuth anchoring energy of liquid crystal on a photoaligning surface //OLC`97. – Heppenheim (Germany). – 1997.

5. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reshetnyak V., Reznikov Yu. Light-Induced Anchoring Transitions and Bistable Nematic Alignment on Polysiloxane-Based Aligning Surface // OLC`97. – Heppenheim (Germany). –1997.

6. Barbet F., Bormann D., Warenghem M., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Khelifa B. PVCN-f* // OLC`97. – Heppenheim (Germany). –1997.

7. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reznikov Yu. Photoinduced liquid crystal anchoring transition on a Polysiloxane-based aligning surface // NOLPC'97, - Partenid (Crimea, Ukraine). – 1997.

8. Andrienko D., Dyadyusha A., Kurioz Yu., Reznikov Yu., Barbet F., Bormann D., Warenghem M., Khelifa B. Photoalignment Of Pentyl-Cyanobiphenyl On The Fluorinated Polyvinil-Cinnamates Induced By UV And Visible Light // ILCC'98. – Strasbourg (France). – 1998.

9. Andrienko D., Kurioz Yu., Kwon S. B., Reznikov Yu., Reshetnyak V. Electrically controlled director slippage over photosensitive aligning // ECLC 99. – Crete (Greece). – 1999.

10. Dyadyusha A., Kurioz Yu. , Reshetnyak V. and Reznikov Yu. Orientation of a Nematic Liquid Crystal on a Soft Photoaligning Surface // NOPLC`2000. – Alushta (Crimea Ukraine). – 2000.

11. Bugayova L., Gerus I. , Glushchenko A., Dyadyusha A., Kurioz Yu. , Reshetnyak V. and Reznikov Yu. Non-monotonic exposure dependence of the pretilt angle and surface polarity of the photoorientant F-PVCN // ELCL`01. – Zakopane (Poland). –2001.

12. Kurioz Yu., Reshetnyak V. and Reznikov Yu. Orientation of a Liquid Crystal on a Soft Photoaligning Surface // OLC2001. – Sorrento (Italy). – 2001.

Цитована література

[1] Gibbons