МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИЧНОЇ ОПТИКИ
На правах рукопису
УДК 535.542; 532.783
НАСТИШИН Юрій Адамович
ОПТИЧНА АНІЗОТРОПІЯ
ДЕФОРМОВАНИХ ТА ДЕФЕКТНИХ СТРУКТУР
В РІДКИХ КРИСТАЛАХ
Спеціальність 01.04.05 - оптика, лазерна фізика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
ЛЬВІВ-2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті фізичної оптики Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор
Влох Орест Григорович,
директор Інституту фізичної оптики
Міністерства освіти і науки України
Офіційні опоненти: член-кор. НАН України,
Харченко Микола Федорович
доктор фізико-математичних наук,
професор, зав. відділом
Фізико-технічного інституту низьких температур
НАН України, м.Харків
доктор фізико-математичних наук,
Резніков Юрій Олександрович,
професор, зав. відділом
Інституту Фізики НАН України, м. Київ
доктор фізико-математичних наук,
Шопа Ярослав Іванович
завідувач кафедри загальної фізики
Львівського національного університету
імені Івана Франка, м.Львів
Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова, НАН України, м. Київ
Захист відбудеться "_18_" ____04_______ 2006 р. о 15:30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.071.01 в Інституті фізичної оптики за адресою 79005, м.Львів-5, вул. Драгоманова, 23
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізичної оптики.
Автореферат розісланий "_15_" _____03______ 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради , І.М.Климів
кандидат фіз.-мат. наук,
доцент
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Висока оптична анізотропія рідких кристалів (РК) та надзвичайна чутливість орієнтації директора до дії зовнішніх полів лежить в основі роботи сучасних пристроїв відображення інформації, включаючи плоскі рідкокристалічні дисплеї, виробництво яких на ринку сьогодні займає одне з чільних місць за прибутковістю. Зміна орієнтації директора під дією зовнішніх впливів приводить до суттєвих змін оптичної анізотропії рідких кристалів. За своїми оптичними властивостями монодоменні недеформовані рідкі кристали подібні до твердих кристалів і описуються законами традиційної кристалооптики. Відмінності в оптичній анізотропії рідких та твердих кристалів пов'язані з можливістю виникнення в РК деформацій (в тому числі і спонтанної модуляції поля директора) та дефектів, які, як правило, є гігантськими у порівнянні з деформаціями, що виникають в твердих кристалах. В РК деформації та дефекти структури, є ключовими об’єктами їхнього застосування чи дослідження. Оптична анізотропія деформованих та дефектних структур в РК, таким чином, є однією із актуальних проблем фізики рідких кристалів. Завдяки орієнтаційній пружності рідких кристалів дозволені деформації в них мають характерні довжини з дуже широким спектром (від субмікронного до макроскопічного масштабів). А це означає, що присутність деформацій відображається на анізотропних оптичних властивостях деформованих зразків і в багатьох випадках зовсім нетривіально. Задяки цьому оптичні методи, що базуються на вивченні оптичної анізотропії РК зразків широко використовуються для їх характеризації.
В фізиці рідких кристалів сформувався напрямок, який отримав назву оптична характеризація рідких кристалів. Оптична характеризація в рідких кристалах виявляється настільки ефективною, що, виходячи лише із досліджень оптичної анізотропії, часто вдається отримати конкретну структурну інформацію без необхідності застосування рентгеноструктурного аналізу, який є, все ж таки, експериментально важким методом та ще й стосовно рідких кристалів не завжди достатньо інформативним. Традиційно, оптична характеризація як рідких, так і твердих кристалів, сприймається як дослідження оптичних властивостей однорідно орієнтованих, монодоменних зразків. Однак, у випадку деформованих рідких кристалів існують якісні відмінності. По-перше, в рідких кристалах дуже легко виникають деформації. Виявлення деформацій є обов'язковою умовою коректності оптичної характеризації. По-друге оптична характеризація індукованих деформацій в РК представляє практичний інтерес у зв'язку з польовими оптичними ефектами в нематиках, які застосовуються в дисплейних технологіях. По-третє продовжується процес відкриття нових рідкокристалічних фаз та матеріалів. Необхідність характеризації нових РК фаз вимагає розвитку методів оптичної характеризації.
Хоча кількість деформованих станів є необмеженою, все ж існує загальна класифікація опису деформованих РК зразків в залежності від типу деформації. Деформації в РК за своїм походженням можуть бути індукованими чи спонтанними, а за структурою поля директора - гладкими або дефектними. У випадку спонтанно деформованих РК маємо справу з РК фазами із модульованою структурою поля директора. На сьогоднішній день виявлено лише мезофази зі спонтанною закруткою поля директора (наприклад, холестерик та хіральний смектик С*), в той час, як спонтанні поперечний та поздовжній згини не спостерігалися. Оптичні властивості спонтанно закручених мезофаз суттєво відрізняються від оптичних властивостей твердих кристалів, а оптичні явища в них часто не мають своїх аналогів в твердих кристалах. В рідких кристалах, як і в інших конденсованих системах, реалізуються ситуації, коли спонтанні орієнтаційні деформації конкурують із позиційним впорядкуванням чи між собою, заважаючи одне одному, що приводить до виникнення спонтанних дефектів та існування так званих фрустрованих рідкокристалічних фаз. Виходячи із такої класифікації деформованих станів РК, сучасні задачі оптичної характеризації деформованих РК можна розділити на такі основні типи: 1) розвиток оптичних методик характеризування деформованих РК; 2) вивчення оптичних властивостей мезофаз зі складною структурою поля директора без спонтанних дефектів; 3) оптична характеризація РК з індукованими гладкими деформаціями, 4) оптична характеризація дефектів (коли вживається термін "дефекти", то по-замовчуванню маємо на увазі "індуковані дефекти"); 5) вивчення оптичних властивостей фрустрованих РК фаз та оптична характеризація їхніх індукованих дефектів.
Така класифікація задач оптичної характеризації деформованих РК прийнята за основу структурної організації дисертації: кожному із типів задач відповідає один із розділів дисертації. Стосовно першого типу задач зазначимо, що на сьогодні в літературі немає систематизованого опису рекомендацій щодо детектування деформацій в рідких кристалах. Хоча деякі деформацї легко піддаються виявленню (наприклад, ті, що пов'язані зі значними азимутальними неоднорідностями розподілу директора), в багатьох випадках виявити присутність деформації в рідкокристалічній комірці зовсім не просто, як це є у випадку зенітальних неоднорідностей директора в площині, перпендикулярній до підкладок. Розвиток методів детектування та характеризації деформацій в рідких кристалах є надзвичайно актуальним завданням, бо має як практичне значення для контролю якості та відбракування рідкокристалічних панелей дисплеїв так і фундаментальне, бо вносить вклад в розуміння особливостей поширення світла через суттєво неоднорідні анізотропні зразки. В розділі 1 проводиться розвиток методу оптичної коноскопії для виявлення та характеризації деформацій в нематику.
Оптична характеризація гладко деформованих нематиків є актуальною в зв'язку з польовими ефектами в нематиках, що є основою їхнього застосування в РК дисплеях. Однією із таких проблем є вимірювання зенітального коефіцієнта нематичного зчеплення із даних оптичної фазової затримки нематичної комірки як функції прикладеної напруги, значно вищої від порогу Фредерікса. Виявляється, що існуюча методика високих полів часто дає нефізичні (вольт-залежні та від’ємні) значення коефіцієнта зенітального зчеплення. Встановлення фізичної суті цієї проблеми та розробка коректної процедури вимірювання є важливими, як з фундаментальної, так і з прикладної точок зору. Цьому завданню присвячений другий розділ дисертації.
Оптичного характеризування потребують нові рідкокристалічні матеріали зі складною структурою, які знаходять застосування в дисплейних технологіях. До таких новітніх матеріалів належать ліотропні хромонічні рідкі кристали (ЛХРК). Хоча в ЛХРК структура поля директора в основному термодинамічному стані є недеформованою, вони мають складну структуру, бо утворені агрегатами із чітким позиційним впорядкуванням всередині агрегата та орієнтаційною (у випадку хромонематиків) чи на додаток ще й позиційною (у випадку М-фаз) саморганізацією агрегатів. Вивчення їх оптичних властивостей може бути ускладнене поглинанням світла у видимому діапазоні. До недавна перешкодою для їхнього оптичного характеризування була відсутність методики отримання однорідно орієнтованих комірок. В третьому розділі дисертації вперше проводиться оптичне характеризування трьох хромонематиків на добре орієнтованих зразках.
Оптична характеризація індукованих дефектів зводиться до поляризаційно мікроскопічного аналізу їхніх текстур. Текстури індукованих дефектів виявляються настільки специфічними, що дозволяють безпомилково ідентифікувати тип дефекта та відновити розподіл поля директора навколо ядра дефекта. Актуальним завданням є поглиблення розуміння природи дефектів, які вже стали класичними об'єктами, зокрема фокальних конічних доменів (ФКД) в смектиках. Вивчення недосконалостей ФКД, тобто своєрідних дефектів в структурі дефектів, що в даному випадку спричинені взаємодією ФКД з дислокаціями, яка в свою чергу приводить до виникненням кінків на дисклінаціях, є наступним кроком в розвитку теорії дефектів в конденсованих системах. Оптична характеризація недосконалостей ФКД проводиться в четвертому розділі дисертації.
Фрустровані рідкокристалічні фази як термодинамічно стабільні стани із спонтанними дефектами, які в багатьох випадках самоорганізовуються в тримірні гратки та сітки, ще досить мало вивчені (за виключенням хіба-що блакитних фаз, хоча і в цій області ще є невирішені завдання), в тому числі і стосовно оптичної анізотропії та оптичної характеризації їхніх індукованих дефектів. Результати вивчення оптичної анізотропії фрустрованих рідкокристалічних фаз приведені в п'ятому розділі дисертації для блакитних фаз та смектика Q.
Можливість появи дефекта певного типу чітко пов'язана із просторовою симетрією системи, а тому із застосуванням топологічного підходу актуальність цього типу задач виходить далеко за межі фізики рідких кристалів і вносить вклад в розуміння аналогії процесів, що відбуваються в таких різних системах як надпровідні фази, квазікристали, біологічні об'єкти, елементарні частинки, ранній Всесвіт і багато інших. Зокрема, холестеричний монополь в структурі краплі холестерика з тангенційними граничними умовами є аналогом магнітного монополя Дірака. В зв'язку з цим актуальним є вивчення перетворення монопольної структури при переході із холестерика в TGBA фазу, тобто фазу міжзеренних границь кручення (twist grain boundary, TGB) типу А. Гелікоїдні стержні в рідкокристалічних банано-фазах, які вивчаються в дисертаційній роботі, є аналогічними до тих, що визначають стуктуру хромосом деяких організмів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Інституті фізичної оптики Міністерства освіти і науки України в межах науково-дослідних держбюджетних програм та тематичних планів Інституту. Зокрема автор брав безпосередню участь у виконанні таких держбюджетних наукових тем: Ф7/501-2001 “Оптична анізотропія та спектроскопія монокристалічних і рідкофазних біологічних об’єктів, проблеми спадковості психічних захворювань”, номер держреєстрації 0104U000461 (2001 – 2005); “Оптичні властивості біокристалів”, номер держреєстрації 0103U000698 (2003 – 2005); “Параметрична кристалооптика органічних кристалів”, номер держреєстрації 0100U000890 (2000 – 2002); “Оптична спектроскопія кристалів з просторово модульованими фазами”, номер держреєстрації 0197U006687; “Передперехідні явища в холестеричних і смектичних рідких кристалах”, номер держреєстрації 0195U015685 (1995-1998, автор - науковий керівник).
Окрім того, безпосередньо з дисертаційною роботою були пов’язані держбюджетні теми, які виконувалися в лабораторії НДЛ-14 на кафедрі нелінійної оптики фізичного факультету Львівського університету ім.Івана Франка, де автор працював до 1994 року: “Дослідження явищ параметричної кристалооптики та фазових переходів в середовищах з кристалічною структурою, виявлення шляхів їх практичного застосування для керування оптичним випромінюванням”, номер держреєстрації 01.86.0080350 (1991 – 1993); “Вплив радіаційного опромінення на фізичні властивості сегнетоелектричних та рідких кристалів” (1991-1993, автор - науковий керівник).
Мета роботи полягає у встановленні особливостей поширення світла в деформованих та дефектних рідкокристалічних структурах, розробці нових оптичних методів їхньої характеризації, оптичній характеризації нових рідкокристалічних матеріалів, фаз і дефектів та в поглибленні знань про структурні перетворення дефектів в рідких кристалах.
У відповідності до мети в дисертації розв'язуються такі задачі:
·
Адаптувати оптичну коноскопію для виявлення та характеризації деформацій в нематиках. Розробити метод вимірювання кута переднахилу та виявлення гібридної деформації в нематику за допомогою оптичної коноскопії в магнітному полі. Розробити алгоритм для аналітичного комп'ютерного моделювання коноскопічних картин деформованих нематиків, що дасть змогу прослідкувати прояв деформації на коноскопічній картині.
·
Встановити причини описаного в літературі та задокументованого нами часткового неузгодження результатів сучасних теоретичних моделей із експериментальними залежностями оптичної фазової затримки R в нематиках як функції прикладеної напруги V значно вищої від переходу Фредерікса. Зокрема, необхідно з’ясувати механізми появи нефізичних (вольт-залежних та від'ємних) значень коефіцієнта зенітального зчеплення W при вимірюванні його методом високого поля та запропонувати критерії для умов експерименту, які дозволять уникнути проблеми нефізичних W.
·
Розробити метод вимірювання коефіцієнта зенітального зчеплення лише за даними залежності R(V), без необхідності вимірювання залежності електроємності від прикладеної напруги.
·
Виготовити орієнтовані комірки ліотропних хромонематиків та провести їхню оптичну характеризацію (оптичні спектри поглинання, дисперсія та температурні залежності двозаломлення та показників поглинання, скалярного параметра порядку). Порівняти температурну поведінку скалярного параметра порядку в хромонематику на предмет її узгодження із теоріями нематичного впорядкування.
·
Провести вивчення температурної поведінки передперехідних флуктуацій в ізотропній фазі хромонематика методами статичного та динамічного розсіяння світла при підході до фазового переходу в нематичну фазу з метою визначення температурної залежності довжини хромонічних агрегатів та перевірити узгодження отриманих експериментальних даних із теорією Ландау-де Жена для розсіяння світла в ізотропній фазі термотропного рідкого кристалу.
·
Провести дослідження оптичної анізотропії в фрустрованих рідкокристалічних фазах: блакитних фазах, передперехідній області ізотропної фази холестеричних рідких кристалів та смектика Q.
·
За допомогою поляризаційної мікроскопії встановити, як трансформуються дефекти холестерика при переході до TGBA фази та вияснити механізми цих перетворень. Провести топологічну класифікацію індукованих дефектів в TGBA фазі. Розробити метод ідентифікації TGBA фази за її дефектами, спостережуваними в поляризаційний мікроскоп.
·
Встановити природу та структуру гелікоїдних стержнів, які з'являються при переході із ізотропної фази в B7 фазу в нехіральних банано-подібних рідких кристалах. Систематизувати та пояснити текстурні спостереження в рідкокристалічних банано-фазах та запропонувати рекомендації для ідентифікування банано-фаз за їхніми поляризаційно-мікроскопічними текстурами.
Експериментально зареєструвати недосконалості фокальних конічних доменів в смектичних рідких кристалах та вияснити механізми їх утворення.
Об'єкт дослідження. Особливості поширення поляризованого світла в рідкокристалічних зразках з деформованим чи сингулярним полем директора.
Предмет дослідження. Оптичні анізотропні властивості деформованих та дефектних рідкокристалічних структур.
Методи дослідження. Поляризаційна оптична мікроскопія використовувалася для контролю якості зразків, ідентифікування мезофаз, дослідження дефектів, вимірювання оптичної анізотропії. Метод обертання РК комірки, метод магнітнітного нуля та метод коноскопічного магнітного нуля застосовувалися для вимірювання кута переднахилу директора на поверхні підкладок нематичних комірок. Для виявлення деформацій поля директора в нематичних комірках використовувалася оптична коноскопія. Коефіцієнт зенітального зчеплення визначався такими методами: методом високих полів Йокоями і ван Спранга, RV-методом, методом порогового поля переходу Фредерікса. Метод повного внутрішнього відбивання світла та Аббе рефрактометрія використовувалися для визначення показників заломлення нематиків. Оптична спектроскопія використовувалася для визначення оптичної анізотропіі (двозаломлення та поглинання) зразків. Методом Сенармона вимірювалася оптична фазова затримка деформованих електричним полем нематиків (при визначенні зенітального коефіцієнта зчеплення) та смектика Q. Флюоресцентна конфокальна поляризаційна мікроскопія дала змогу візуалізувати структуру гібридноорієнтованих плівок смектика А в площині, перпендикулярній до підкладок комірки. Атомна силова мікроскопія та електронна скануюча мікроскопія застосовувалися для візуалізації рельєфу підкладок нематичних комірок та оптичних дифузерів, що використовувалися для створення розбіжного лазерного пучка. Структура смектика Q вивчалася дослідженням дифракції рентгенівських променів. Комп'ютеризована реометрія дала інформацію про температурну поведінку реологічних властивостей ізотропної фази ліотропного хромонематика та РК, що володіють переходом холестерик-смектик А.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:
·
теоретично і експериментально продемонстровано, що деформація поля директора (поля оптичної осі) в нематику приводить до спотворення не тільки ізохром, але й до видозміни ізогир, форма яких у випадку однорідного розподілу директора вважається тривіальною, а тому взагалі раніше не розглядалася при аналізі коноскопічних картин. Вперше показано, що присутність гібридності в нематичній комірці приводить до розмиття ізохром, яке можна візуалізувати усунувши це розмиття прикладанням магнітного поля вздовж усередненого напрямку директора в комірці;
·
встановлено, що поява вольт-залежих та від'ємних значень нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення W при його вимірюванні за методикою високих полів пов'язана із відхиленням експериментальної залежності оптичної фазової затримки R як функції прикладеної напруги V від теоретичної. Продемонстровано, що причиною відхилення експериментальної залежності R(V) від теоретичної є внутрішньоплощинні неоднорідності підкладок комірки. Запропоновано критерії, які дають змогу відбракувати комірки, в яких вимірювання W за методом високих полів неможливе. На основі теоретичного розгляду показано, що в тих комірках, де внутрішньоплощинні неоднорідності є малими, для визначення W за методом високого поля не обов'язково проводити одночасні вимірювання і фазової затримки, і електроємності C, як це вважалося необхідним раніше: достатньо лише залежності R(V), на чому й грунтується наш RV-метод;
·
отримано добре орієнтовані зразки ліотропних хромонематиків: хромолину, який є прозорим у видимій частині спектру і двох поглинаючих барвників Блакитного 27 та Фіолетового 20 і проведено їхню оптичну характеризацію. А саме: експериментально отримано залежності оптичного двозаломлення від температури T, вагової концентрації, довжини хвилі світла та відповідні залежності для коефіцієнтів поглинання Блакитного 27 та Фіолетового 20 та виявлено, що для цих матеріалів двозаломлення і анізотропія поглинання (для барвників) є від'ємними, що узгоджується із структурою агрегатів, в яких планкоподібні молекули складені одна поверх одної в стержнеподібні стоси. Експериментальні дані про поглинання використано для визначення скалярного параметра порядку S для нематичної фази Блакитного 27 та його температурної залежності і виявлено, що S є достатньо високим, що підтверджує справедливість моделі Онзагера. Температурна залежність скалярного параметра порядку вказує на необхідність модифікації моделі Онзагера з врахуванням температурної залежності довжини молекулярних агрегатів;
·
проведено температурні дослідження поведінки передперехідних флуктуацій в ізотропній фазі ліотропного хромонічного рідкого кристалу. Передперехідні флуктуації в ізотропній фазі ліотропного хромонічного рідкого кристалу відрізняються від флуктуацій у випадку термотропних нематиків такими особивостями: 1) існує суттєвий вклад флуктуацій концентрації до інтенсивності розсіяного світла; 2) спостерігається суттєве відхилення в температурній поведінці оберненої інтенсивності від закону Кюрі-Вейса, спричинене зростанням довжини молекулярних агрегатів при охолодженні. Ця температурна залежність приводить до нелінійних температурних залежностей коефіцієнта A в розкладі Ландау-де Жена та ефективної оптичної анізотропії; 3) зсувна в'язкість володіє аномальним ростом при пониженні температури. Встановлено, що при охолодженні довжина хромонічних агрегатів зростає. Із трьох незалежних груп експериментальних даних (статичного і динамічного розсіяння світла та в'язкості) отримано ті самі числові значення для довжини агрегатів;
·
отримано текстури фокальних конічних доменів (ФКД) в смектику А, які свідчать про те, що ФКД, який традиційно вважається ідеальною геометричною конструкцією, насправді дуже часто є сильно спотвореним. Запропоновано механізм, згідно з яким ці спотворення є наслідками взаємодії ФКД з дислокаціями: причеплення дислокації до дисклінації приводить до утворення кінка на дисклінації у вигляді злому дисклінаційної лінії. Велика густина кінків на дисклінації приводить до сильного відхилення форми еліпса та/чи гіперболи від ідеальної. Показано, що особливо значними та частими ці спотворення є в смектичних матеріалах, які вище по температурі володіють нематичною фазою. Методом флюоресцентної конфокальної поляризаційної мікроскопії встановлено, що структура гібридноорієнтованого смектика в плоских комірках складається з фрагментованих ФКД.
·
на основі результатів одночасного вимірювання азимута еліпса поляризації та еліптичності світлової хвилі як функцій температури встановлено, що при вивченні оптичних властивостей блакитних фаз (особливо БФІ) та в передперехідній області ізотропної фази потрібно враховувати, що реальні зразки володіють слабкою (але все ж ненульовою) оптичною анізотропією і, як наслідок, поляризація світлової хвилі на виході зі зразка є еліптичною. Показано, що одним із вкладів, що приводить до еліптичності світла є вплив поверхні, який не зникає навіть в ізотропній фазі;
·
продемонстровано, що монопольна структура холестеричної краплі зазнає перетворення при переході в TGBA фазу: дисклінаційний радіус розщеплюється на дві спірально сплетені дисклінації, а його кінець перетворюється в петлю. Виявлено, що на петлі існують дві сингулярні точки, що візуалізують місця обриву смектичних шарів в площині петлі. У вільно підвішених плівках спостерігається перетворення характерної холестеричної текстури фокальних конічних доменів в текстуру доменів розгортання при переході в TGBA фазу. Показано, що причиною спостережуваних перетворень дефектів в TGBA фазі є матеріалізація директора
, напрямленого вздовж осі спіралі (паралельно до смектичних шарів) в TGBA фазі завдяки появі смектичного впорядкування. Проведено топологічну класифікацію дефектів в TGBA фазі та зроблено аналіз топологічних і фізичних властивостей дисклінацій і диспірацій. Показано, що диспірації є характерними ідентифікаційними дефектами TGBA фази. Проведений теоретичний розгляд дефектів TGBA фази дає можливість ідентифікувати TGBA фазу за її дефектами, спостережуваними в поляризаційний мікроскоп;
·
проведено детальний текстурний аналіз розмаїття незвичайних форм зародків B7 банано-фази при переході з ізотропної фази, які не мали свого пояснення в літературі. Встановлено, що спостережувані форми можуть бути поділені на дві категорії: гелікоїдальні та негелікоїдальні. Перші з них (гелікоїдальні) відповідають метастабільній хіральній фазі B7*, другі - енергетично стабільній нехіральній В7 фазі. Для обидвох типів структур запропоновано моделі: гелікоїдальні стержні є гігантськими гвинтовими дислокаціями, в той час як негелікоїдальні форми є доменами розгортання. Виявлено та експериментально досліджено процес перетворення гелікоїдальних форм в домени розгортання. Виявлено нові негелікоїдальні форми зародків. Зокрема, експериментально виявлено структуру, теоретично передбачену для колумнарних фаз і названу доменом розгортання "сингулярна точка". Показано, що обидва типи структур (гелікоїдальні і негелікоїдальні) відображають присутність одночасно смектичного і колумнарного впорядкувань. Проведений текстурний аналіз демонструє процедуру ідентифікації смектоколумнарної B7 фази за її дефектами;
·
проведено рентгеноструктурний аналіз та дослідження оптичної анізотропії фрустрованої смектичної Q фази, які дали змогу ідентифікувати структуру цієї фази. Експериментально отримані значення двозаломлення для смектичної Q фази дозволили зробити вибір між двома запропонованими в літературі моделями для цієї фази. Обидві моделі однаково добре узгоджуються із даними рентгеноструктурного аналізу, але вибір між ними є однозначним за величиною передбачуваного цими моделями двозаломлення.
Достовірність отриманих результатів гарантується використанням сучасних експериментальних методик, співставлянням отриманих результатів із результатами, отриманими за допомогою інших методик, та із літературними даними; застосуванням сучасної вимірювальної апаратури з комп'ютерним керуванням, комп'ютерною обробкою результатів з врахуванням можливих похибок, перевіркою узгодження експериментальних результатів із теоретичними передбаченнями.
Практичне значення одержаних результатів
·
Продемонстровано, що оптична коноскопія може бути ефективно використана для виявлення і характеризації деформацій нематика в площині перпендикулярній до підкладок комірки, які не реєструються поляризаційною мікроскопією та важко піддаються виявленню іншими методами.
·
Запропоновано метод коноскопічного магнітного нуля, який дає змогу вимірювати переднахил директора на поверхні підкладки та виявити присутність гібридної деформації в комірці.
·
Розроблено та апробовано алгоритми для аналітичного комп'ютерного моделювання коноскопічних картин в деформованих нематиках та гіротропних двозаломлюючих кристалах.
·
Створено комп'ютеризовану установку для вимірювання нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення за методикою високого поля чи RV-методом.
·
Розроблено RV-метод вимірювання нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення. Запропоновано протокол, який дає змогу відбракувати нематичні комірки, в яких коефіцієнт зенітальної енергії зчеплення не може бути виміряний за методикою високих полів Йокоями - ван Спранга та RV-методом.
·
Адаптовано методику вимірювання оптичної анізотропії (двозаломлення, показників поглинання та їх анізотропії) із спектрометричних даних, отриманих для зразка між паралельними поляроїдами, відому з літератури для твердих поглинаючих кристалів, до вимірювань оптичної анізотропії та скалярного параметра порядку хромонематиків.
·
Запропоновано метод ідентифікації рідкокристалічної TGBA фази за її дефектами, спостережуваними в поляризаційний мікроскоп.
·
Запропоновано метод ідентифікації смектоколумнарної B7 банано-фази за її дефектами спостережуваними в поляризаційний мікроскоп.
Особистий внесок здобувача.
Автором
·
виготовлено зразки для експериментальних досліджень; зібрано експериментальні установки для коноскопічних досліджень та вимірювання нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення;
·
розроблено алгоритми для комп'ютерного моделювання коноскопічних картин деформованих нематиків, гіротропних двозаломлюючих кристалів та отримано їх комп'ютерні графічні представлення за цими алгоритмами.
·
розроблено метод коноскопічного магнітного нуля та проведено його експериментальну апробацію; запропоновано ідею про можливість детектування гібридної деформації в нематичних комірках за розмиттям ізохром коноскопічної картини та візуалізації цього розмиття його усуненням в магнітному полі, прикладеному вздовж усередненого напрямку нематичного директора;
·
проведено експериментальні вимірювання нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення W методами Йокоями - ван Спранга та RV-методом. Запропоновано ідею про можливість використання експериментально виявленої лінійності залежності добутку електроємності при даній напрузі на величину цієї напруги від прикладеної напруги для уникнення необхідності вимірювання електроємності при вимірюванні W, що лягло в основу RV-методу. Експериментально показано, що внутрішньоплощинні неоднорідності в нематичних комірках, до яких прикладається напруга, проявляються в залежному від напруги надлишковому пропусканні при вимірюванні фазової затримки методом Сенармона. Запропоновано і перевірено ідею про те, що однією із причин, що приводять до внутріплощинних неоднорідностей в нематичних комірках є травлення електродів, що приводить до виникнення острівкових пошкоджень електродів.
проведено вимірювання спектрів пропускання хромонематиків в паралельних поляризаторах та обчислення двозаломлення, коефіцієнтів поглинання та скалярного параметра порядку із цих результатів. Отримано температурні залежності двозаломлення, показників поглинання та скалярного параметра порядку.
·
проведено поляризаційно-мікроскопічні спостереження недосконалостей фокальних конічних доменів в смектику А для різних матеріалів; отримано експериментальні результати, описані в підрозділі 4.3; запропоновано ідею про можливість приготування фокальних конічних доменів з заданими геометричними параметрами в клиновидних зразках смектика А; запропоновано ідею про те, що кінкування еліпсів ФКД в зразках з анізотропним зчепленням є наслідком конфлікту між геометрією ФКД та ненульовим переднахилом директора на поверхні; за допомогою флюоресцентної конфокальної поляризаційної мікроскопії отримано зображення структури гібридноорєнтованого смектика А в площині, перпендикулярній до підкладок.
·
проведено експериментальні спостереження перетворення дефектів при переході холестерик - TGBA фаза та виявлено всі експериментальні факти, описані в дисертації, що стосуються текстур холестерика та TGBA фази у вільно диспергованих краплях, вільнопідвішених плівках та плівках на гліцерині; запропоновано модель перетворення холестеричного монополя в петлеподібний лінійний дефект при переході в TGBA фазу у вільно диспергованих краплях з тангенційними граничними умовами; виявлено, що при фазовому переході холестерик - TGBA фаза фокальні конічні домени перетворюються в домени розгортання. Сформульовано процедуру ідентифікації TGBA фази за її дефектами.
·
проведено експериментальні спостереження та текстурний аналіз банано-фаз; виявлено всі експериментальні факти описані в розділі про дефекти банано-фаз; запропоновано та перевірено експериментально ідею про метастабільність гелікоїдальних форм зародків банано фази B7. Сформульовано процедуру ідентифікації B7 банано фази за її дефектами.
·
проведено вимірювання двозаломлення смектика Q та поляризаційно-мікроскопічні дослідження текстур цієї фази.
Разом із співавторами приймав участь в:
·
отриманні коноскопічних картин комп'ютерно побудованих за методом узагальнених матриць Джонса; розробці RV-методу; протоколу для відбракування комірок, що не можуть бути використані для вимірювання нематичного коефіцієнта зенітального зчеплення за методикою Йокоями - ван Спранга та RV-методом; проведеннні експерименту по розсіянню світла в ізотропній фазі хромонематика; обробці та обгрунтуванні результатів вимірювання оптичної анізотропії блакитних фаз та передперехідної області ізотропної фази; аналізі топологічнх і фізичних властивостей дефектів TGBA фази; проведенні реологічних досліджень в холестерил нонаноаті та холестерил міристаті; проведенні рентгенівського експерименту в смектику Q.
Особистий внесок у статтях: [1-6,14,18,20-24, 27,28,30,34-41] - виготовлено зразки, проведено експерименти, оброблено результати, разом зі співавторами участь в постановці задачі, обгрунтуванні результатів, написанні тексту; [7,8,10,12,13,1517,18,22,25,26]- постановка задачі, разом зі співавторами участь в обгрунтуванні результатів, написанні тексту; [31,32,34,35]- разом зі співавторами участь в проведенні експерименту, обгрунтуванні результатів, написанні тексту; [33]- написано Розділ 10, участь в написанні розділів 2,6,8,9; [5,6,9,29]- підготовано автором одноосібно.
Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на: 1-st International modelling school- Crimea Autumn' 96, Alushta (Ukraine), September 12-17, 1996; European Conference on liquid Crystals, Koscelisko Centre, Zakopane, Poland March 3-8, 1997; SPIE Conference "Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals, Partenit Crimea, 5-10 October, 1997; SID International Symposium, Ananheim Convention Center, Ananheim, California, May 17-22,1998; SPIE Conference on Liquid Crystal Materials, Devices and Aplications VII, San Jose, California, January 1999; 18-th International Liquid Crystal Conference - Sendai (Japan)- July 24-28; 2000; PARAOPT 2001, International Meeting on Parametric Optics, September 17-19, 2001, Lviv, Ukraine; ALCOM Simposium on “Nanostructured liquid crystals”, Kent, Ohio, June 19-20, 2001; Workshop on Soft Matter Mathematical Modeling in Palazzone, Cortona, Italy, 10-14 September, 2001; 10-th Colloque Francophone sur les Cristaux Liquides, 18-21 Septembre 2001,Toulouse, France; Workshop "Topology in Condensed Matter Physics, Dresden, Germany, May 13 - July 31, 2002; 20th International Liquid Crystal Conference, Ljubljana, Slovenia, July 4-9, 2004; Gordon Research Conference, July 2005; Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, Ohio, USA, 7-11 June, 2004; Liquid Crystals in Optics & Photonics conference, Fall 2005 Meetting of the Great Lakes SPIE Regional Chapter, Kent, Ohio, USA, October 27-28, 2005; 12eme Colloque Francophone sur Cristaux Liquides, Montpellier, France, 13-16 Septembre, 2005; UXIV SID International Symposium'2005 Advansed Display Technologies, October 10-14 2005 Crimea, Ukraine.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 41 друкованy роботу у міжнародних, вітчизняних журналах та збірниках. Разом із співавторами опубліковано огляд сучасного стану досліджень дефектів в рідких кристалах (робота номер 33 в списку публікацій автора), куди ввійшли нові експериментальні і теоретичні результати отримані за участю автора.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів та висновків; містить 291 сторінку тексту без врахування бібліографії, вступу, та сторінок повністю зайнятих рисунками; 129 рисунків (27 вмонтовані в текст, решта по одному чи по два скомпоновані на окремих сторінках); 2 таблиці і бібліографію з 409 найменувань.
У вступі проведено обгрунтування актуальності теми дисертації, показано взаємозв'язок між проблемами, що розв'язуються в розділах дисертації та їхнє місце серед сучасних досліджень в галузі оптики рідких кристалів; сформульовано мету дисертації, її наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.
У першому розділі описано оптичні методики (підрозділи 1.1-1.3), які використовуються в дисертації. Cпецифічні методики, а також умови проведення конкретних експериментів подано у відповідних підрозділах. Основна увага в розділі присвячена застосуванню оптичної коноскопії до реєстрації деформацій в нематику. В підрозділі 1.4 розглянуто принципи коноскопії для деформованих нематиків. Запропоновано аналітичний підхід до комп'ютерного обчислення коноскопічних картин деформованих нематиків. Перевагою аналітичного підходу є те, що на відміну від чисельного методу, що базується на узагальнених матрицях Джонса [1*], він дає змогу аналітично прослідкувати прояв деформації певного типу на коноскопічній картині. Алгоритм ґрунтується на наближенні при, якому вважається, що звичайна і незвичайна хвилі поширюються по одному шляху, але із різними показниками заломлення. В Декартовій системі координат з початком у вершині конуса розбіжного світлового пучка кут між напрямком поширення даного променя і оптичною віссю та азимут поляризації незвичайної хвилі є функціями координат в площині коноскопічної картини та зенітального і азимутального кутів орієнтації оптичної осі (директора) відносно осі , що напрямлена перпендикулярно до підкладок РК комірки. Якщо нематична комірка деформована і є відомим просторовий розподіл директора, заданий аналітично, то при навіть за умови необхідно враховувати, що залежить від , що є функцією координати , а це означає, що азимут власних хвиль є функцією координати . Залежність означає, що власні хвилі повертаються при проходженні через гібридну комірку при косому падінні світла навіть за відсутності деформації кручення. Таким чином, підвертання площини поляризації власних хвиль повинно приводити до розмиття ізохром в гібридноорієнтованій комірці а, отже, може служити тестом для детектування гібридності в нематичній комірці. Причому величина розмиття ізохром повинна бути функцією координат . Ми провели перевірку цього твердження, використовуючи підхід узагальнених матриць Джонса та чисельно побудувавши коноскопічні картини комірок із гібридністю та без неї. Обчислені коноскопічні картини справді демонструють, що чорнота ізохром в комірці із гібридністю є функцією координат. Те ж саме спостерігається на відповідних експериментально отриманих коноскопічних картинах, які виявляються подібними до відповідних обчислених картин. Помістивши комірку із гібридністю в магнітне поле, так що його напрям є паралельним до усередненого через комірку напрямку директора, можна усунути гібридність, що на коноскопічній картині відобразиться як підвищення контрасту ізохром в порівнянні з тим, що було без поля. Ця ідея апробована експериментально і лягла в основу нового експерес-методу (який ми називаємо коноскопічним магнітним нулем) вимірювання кута переднахилу нематика та виявлення гібридності поля директора (підрозділ 1.5). Принцип вимірювання полягає в тому, що під дією магнітного поля коноскопічна картина зсувається при зміні величини магнітного поля, якщо директор не паралельний полю та не реагує на поле, якщо II. Показано, що цей метод має переваги перед іншими відомими методами не тільки в зручності в користуванні, точності та швидкості визначення кута переднахилу, а й дозволяє візуалізувати присутність деформації гібридності.
В роботі проведено порівняння коноскопічних картин, обчислених за геометричним аналітичним підходом із відповідними експериментальними коноскопічними катринами та із тими, що отримані числовим методом узагальнених матриць Джонса [1*]. Продемонстровано, що оптична коноскопія здатна візуалізувати деформації, які не вдається виявити за спостереженням текстур в поляризаційний мікроскоп. В кінці підрозділу 1.4 продемонстровано, як геометричний підхід може бути використаний для моделювання коноскопічних картин антипаралельно орієнтованих гіротропних двозаломлюючих пластин з оптичною віссю, нахиленою відносно поверхні пластинки. Комп'ютерно обчислені коноскопічні картини до найтонших деталей співпадають з коноскопічними картинами, експериментально отриманими в роботі [2*], підтверджуючи справедливість запропонованого підходу.
Другий розділ присвячений проблемі вимірювання так званого коефіцієнта W зенітальної енергії зчеплення нематика з поверхнею шляхом отримання фазової затримки між звичайною та незвичайною хвилями як функції прикладеної напруги в певній області напруг, далеко за переходом Фредерікса. Методика високого електричного поля, запропонована Йокоямою та ван Спрангом [3*], яку ми називаємо RCV-методикою, грунтується на одночасному вимірюванні електричної ємності та оптичної фазової затримки як функцій напруги , прикладеної до нематичної комірки. Дуже привабливою особливістю цієї методики є те, що в певному інтервалі (, ) прикладеної напруги, є лінійною функцією оберненого діелектричного зміщення (~1/CV) і, таким чином, (нормована на пружну константу) може бути просто отримана з перетину цієї лінійної залежності з віссю. Вираз, з якого отримується апроксимацією експериментальних даних зручно записати у формі:
(1)
В теоретичній частині (підрозділ 2.1) ми розширили оригінальну модель Йокоями і ван Спранга і запропонували нову, RV-методику для визначення W шляхом простої лінійної апроксимації залежності оптичної фазової затримки від напруги без даних C(V):
, (2)
де R0 -фазова затримка при нульовій напрузі, - постійна, яка визначається з апроксимування, - матеріальна постійна, яка для 5СВ рівна 0.39В; - діелектрична анізотропія, - діелектрична проникливість вздовж директора; - кут переднахилу директора; - постійна, яка для нематика 5CB рівна 0.90; ; K1 (K3) - поперечна (поздовжна) пружні константи.
Рис.1а показує графік експериментально отриманої залежності RCV від CV. Апроксимуючи експериментальні дані рівнянням (1) в інтервалі напруг від Vmin=6Vth =4.3 В до Vmax =25 В, отримуємо W=2.30.310- 4 Дж/м2. На Рис.1б представлені експериментальні залежності і CV від для тієї ж комірки. Апроксимацією експериментальних даних виразом (2) в інтервалі від 4.3 В до 25 В отримано W=2.510- 4 Дж/м2. Зауважимо, що залежність CV від є лінійною з початком в нулі координат у відповідності до нашої моделі. RV-методика зберігає всі суттєві особливості оригінальної YvS-методики, але має ряд суттєвих переваг таких, як можливість обійтися без травлення електродів та вимірювання електроємності. Більш важливим є те, що RV-методика дозволяє визначати локальне значення W (в межах площі лазерного променя), а отже, може бути використана для того, щоб отримати карту коефіцієнта зчеплення як функції внутрішньоплощинних координат.
В обидвох методиках значення W повинно визначатися лише в межах деякого інтервалу напруг, верхня межа якого раніше задавалась неоднозначно, так як залежала від W. Ми запропонували чітке правило для визначення Vmax, яке ми назвали "правилом 80%" (детальніше див. роботу [21]), без необхідності попереднього знання W.
а) б)
Рис. 1: Залежності:
а) RCV(CV). Суцільна лінія представляє найкращу апроксимацію експериментальних даних виразом (1) в інтервалі від 4.3В до 25В, що дає W=2.310- 4 Дж/м2;
б) (точки; вісь ординат ліворуч) та CV (замальовані квадратики), побудовані як функції від . Суцільна лінія представляє найкращу апроксимацію експериментальних даних виразом (2) в інтервалі від 4.3 В до 25 В, що дає W=2.510- 4 Дж/м2;
для комірки нематика 5ЦБ товщиною 27мкм між натертими поліімідними (PI2555) підкладками.
Значна увага експериментальної частини присвячена достовірності результатів, отриманих за YvS- та RV-методикою. Ми проаналізували польові залежності оптичної фазової затримки R та електроємності C для різних комірок. На перший погляд зда'ється, що всі дані добре лягають на лінійну залежність, побудовану в координатах R від 1/CV, запропоновану Йокоямою та ван Спрангом [3*] для процедури апроксимації. Однак, інформативнішим є графік в координатах RCV від CV чи від , Рис.2а,б. Ці графіки чітко демонструють, що експериментальна поведінка комірки є відмінною від тієї, що
