работа (стр. 1 из 5)
Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова
Физический факультет
Кафедра физики полимеров и кристаллов
Курсовая работа
“Определение основных параметров сегнетоэлектрических и антисегнетоэлектрических жидких кристаллов”
Студента 417 группы
Кафедры физики полимеров и кристаллов
Молькина Вадима
Научные руководители: к.ф.-м.н., вед.н.с. Е.П.Пожидаев
к.ф.-м.н., ст.н.с. А.В.емельяненко
Москва,2006
Оглавление
1. Введение
§1.1. Диэлектрики и сегнетоэлектрики.
§1.2. Общие сведения о жидких кристаллах.
2. Классификация жидких кристаллов.
§2.1. Современная классификация полярных жидких кристаллов с точки зрения их диэлектрических свойств.
§2.2. Структура и симметрия фаз жидких кристаллов.
§2.3. Структура и симметрия фаз хиральных жидких кристаллов. Дипольное упорядочение в наклонных хиральных смектиках.
3.Экспериментальная часть.
§3.1. Регистрация электрооптического отклика С*ЖК.
§3.2.Измерение спонтанной поляризации методом интегрирования токов переполяризации
§3.3.Оптическая ячейка.
4. Результаты.
§4.1. Экспериментальное исследование температурной зависимости спонтанной поляризации и параметра порядка сегнетоэлектрического смектика-С.
§4.2. Экспериментальное исследование поляризации и диэлектрической восприимчивости при наличии полиморфизма полярных фаз.
§4.3. Электрооптические измерения.
5. Выводы и проблемы.
6. Дополнение А.
7. Литература.
1.Введение
1.1.Диэлектрики и сегнетоэлектрики.
Хорошо известно, что диэлектрические материалы обладают способностью к электрической поляризации во внешнем электрическом поле. Электрическое поле, действуя на разноименно заряженные частицы, смещает их в противоположных направлениях, вызывая разделение “центров тяжести” положительных и отрицательных зарядов. В ионных кристаллических диэлектриках, например, электрическая поляризация возникает в результате перемещения положительных и отрицательных ионов. При этом искажается распределение их электронной плотности и смещается центр тяжести электронного облака относительно положительно заряженных ядер. В результате каждая элементарная ячейка кристалла приобретает электрический дипольный момент. Чем больше электрическое поле, тем больше поляризация вещества; способность к электрической поляризации характеризуется диэлектрической восприимчивостью, которая определяется как отношение поляризации к вызывающему ее электрическому полю[1].
Сравнительно недавно, в 20-30-х годах прошлого столетия, Дж. Валашек в США, И.В.Курчатов с сотрудниками в СССР, Г.Буш с сотрудниками в Швейцарии показали, что в некоторых ионных кристаллах электрическая поляризация может возникать и существовать спонтанно, т.е. в отсутствие внешнего электрического поля. Это физическое явление было обнаружено впервые в кристаллах сегнетовой соли KNaC4H4O6*4H2O в интервале температур между – 18 и +24 0С и затем – в кристаллах дигидрофосфата калия KH2PO4 (KDP) – при температурах ниже - 1500С. Оказалось, что спонтанно поляризованное состояние исчезает при указанных критических температурах, диэлектрическая восприимчивость в полярной фазе и вблизи этих критических температур достигает огромных значений, на 3 – 4 порядка превышающих обычные значения в неполяризованном состоянии, а ее величина сильно зависит от электрического поля. Кроме того, направление спонтанной электрической поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.
В нашей литературе описанное явление называют сегнетоэлектричеством, в зарубежной – ферроэлектричеством (по очевидной формальной аналогии с давно известным феноменом ферромагнетизма). Возможность существования сегнетоэлектричества в жидких кристаллах теоретически показал Мейер в 1975г. [2], а первое упоминание об антисегнетоэлектрических ЖК принадлежит перу отечественных ученых и относится к 1982г. [3].
1.2.Общие сведения о жидких кристаллах.
Жидкие кристаллы представляют собой особый класс веществ, промежуточный между твердыми кристаллами и изотропными жидкостями. Жидким кристаллам присущи одновременно анизотропия физических свойств, характерная для твердых кристаллов, и текучесть, свойственная изотропным жидкостям. Иное название данного класса веществ - мезофазы - как нельзя лучше отражает эти необычные свойства.
Впервые жидкокристаллическая фаза была обнаружена немецким ученым Ф. Рейнитцером в 1888 году в процессе изучения им температурных зависимостей свойств производных холестерина [4]. При нагреве кристаллического вещества до определенной температуры образовывался мутный расплав с анизотропными свойствами. При дальнейшем нагреве вещество просветлялось, переходя в изотропную фазу. Во время последующего охлаждения из изотропной фазы сначала появлялась мезофаза, и только после происходила кристаллизация. Вещества, переходящие в жидкокристаллическое состояние в процессе нагрева из кристаллической фазы или охлаждения из изотропной были названы термотропными жидкими кристаллами. Позже обнаружились и другие вещества, которые проявляли жидкокристаллические свойства при растворении до определенной концентрации – так называемые лиотропные жидкие кристаллы.
Все мезофазы являются сложными органическими соединениями, состоящими, как правило, из нескольких веществ, молекулы которых имеют сильно вытянутую или дисковидную форму.
Термотропные ЖК, образованные молекулами вытянутой палочкообразной формы, при охлаждении из изотропной фазы (нагреве из кристаллической) могут образовывать не одну, а несколько промежуточных мезофаз, различающихся типом молекулярной упаковки (рис.1.1., более подробно см.§2.2 ).
 |
| Рис. 1.1. Мезофазы |
Направление преимущественной ориентации молекул жидкого кристалла обозначается единичным вектором
и называется директором. Монодоменный образец ЖК проявляет сильную анизотропию физических свойств и является прозрачным.Жидкие кристаллы, обладающие сильной анизотропией физических свойств, вот уже на протяжении почти 120 лет являются объектом пристального внимания физиков и химиков, а в последние десятилетия широко применяются в устройствах отображения информации в качестве сред, контролирующих свойства пропускаемого и отражаемого излучения.
Основной целью данной работы являлось освоение экспериментальных методов измерения фундаментальных параметров ЖК, таких, как спонтанная поляризация, угол наклона, диэлектрическая восприимчивость и др.
2. Классификация жидких кристаллов.
§2.1. Современная классификация полярных жидких кристаллов с точки зрения их диэлектрических свойств.
Термин “сегнетоэлектрические жидкие кристаллы” (по-английски ferroelectric liquid crystals) первоначально появился [2] для обозначения наличия самопроизвольного дипольного упорядочения в жидких кристаллах. Со временем стало ясно, что в жидких кристаллах существуют все те же типы дипольного упорядочения, что и в твёрдых кристаллах. Полярные жидкие кристаллы подразделяются на сегнетоэлектрики, антисегнетоэлектрики, ферриэлектрики и гелиэлектрики [5]. Основой классификации полярных ЖК являются типы дипольного упорядочения и их макроскопические проявления, а именно зависимости макроскопической поляризации от электрического поля, приведенные на рисунке 2.1. На уровне этой классификации никаких отличий жидких кристаллов от других диэлектриков не существует. Зависимости
- это “отпечатки пальцев” того типа дипольного упорядочения, с которым мы имеем дело.Верхняя диаграмма рисунка 2.1 характеризует поведение любого неполярного диэлектрика во внешнем поле, и, в частности, любого жидкого кристалла, не обладающего спонтанным дипольным упорядочением. В малых полях
макроскопическая поляризация 
прямо пропорциональна полю [6]:
(2.1.1),где
- число молекул в единице объёма, 
- дипольный момент единицы объёма, 
- постоянная Больцмана, 
- абсолютная температура. Критерием малости поля в данном случае является соотношение
(2.1.2),так как степень ориентации диполей неполярного диэлектрика по внешнему электрическому полю определяется фактором Больцмана
, где 
- объёмная плотность потенциальной энергии диполей в электрическом поле.Если
(2.1.3),то зависимость
становится нелинейной и имеет тенденцию к насыщению даже в отсутствии спонтанного дипольного упорядочения, как это видно из верхней диаграммы рис. 2.1. Очевидно, что тенденция к насыщению проявляется, когда большая часть диполей выстраивается по электрическому полю.