Електричні та магнітні властивості рідких кристалів

Більшість застосувань рідких кристалів пов'язана з управлінням їх властивостями шляхом додатку до них електричних дій. Податливість і «м'якість» рідких кристалів по відношенню до зовнішніх дій роблять їх виключно перспективними матеріалами для застосування в пристроях мікроелектроніки, для яких характерні невелика електрична напруга, мале споживання потужності і малі габарити. Тому для забезпечення оптимального режиму функціонування РК елементу в якому-небудь пристрої важливо добре вивчити електричні характеристики рідких кристалів.

Іншою важливою обставиною є те, що провідність в рідких кристалах носить іонний характер. Це означає, що відповідальними за перенесення електричного струму в РК є не електрони, як в металах, а набагато масивніші частинки. З цієї причини електропровідність рідких кристалів сильно залежить від кількості і хімічної природи домішок, що містяться в них. Зокрема, електропровідність нематика можна цілеспрямовано змінювати, додаючи в нього контрольовану кількість іонних добавок, в якості яких можуть виступати деякі солі.

Явища, що викликані дією на рідкі кристали електричного поля, різноманітні й до сих пір немає однозначної їх орієнтації.

Електричні властивості рідких кристалів вивчаються найчастіше в тонких шарах, і, мабуть, експериментальні результати слід віднести до всієї системи, що складається з рідкокристалічного шару та електродів. Перш за все слід враховувати вплив цих поверхонь, що орієнтується, інжекцію електродами носіїв зарядів, а також адсорбцію іонів на електродах, що є причиною гістерезису для багатьох електричних явищ і утрудняє розподіл поля в зразку внаслідок утворення електричного подвійного шару.

Електричні явища в рідких кристалах мають найчастіше нелінійний характер, пов’язаний з термічною та електричною передісторією зразку.

 

Оптичні та електрооптичні властивості рідких кристалів

Спонтанна орієнтація молекул в рідких кристалах наводить до того, що ці речовини проявляють оптичне двопроменезаломлення, властиве деяким твердим кристалам. Світло, що проходить через однорідно-упорядковані шари рідких кристалів, розпадається на два променя: незвичайний, напрямок поляризації якого збігається з напрямком оптичної осі рідкого кристала, й, звичайний, з напрямком поляризації, перпендикулярним цій осі. Кристал вважається оптично позитивним, якщо ne-n0>0, й оптично негативним, якщо ne-n0<0; ne та n0 – коефіцієнти переломлення незвичайного й звичайного променів.

Нематичні та смектичні рідкі кристали оптично позитивні й напрямок довгих осей молекул збігається з напрямком оптичної осі. Холестеричні рідкі кристали, в яких довгі осі молекул перпендикулярні осі холестеричної спіралі, яка, в свою чергу, паралельна оптичній осі зразка, - оптично негативні. Ця особливість часто служить критерієм відмінності холестеричних рідких кристалів від смектичних.

Знак двопроменезаломлювання та напрямок оптичної осі в рідкокристалічному зразку, як і в твердому кристалі, можна визначити при спостеріганні в мікроскопі в світлі, що сходиться.

Орієнтовані шари рідкокристалічних холестериків, нематиків і смектиків оптично одновісні, тобто для рідких кристалів характерний тільки один напрямок, в якому світло проходить з однаковою швидкістю незалежно від стану поляризації. В смектиках є два таких напрямки, вони двохосні. Двохосний стан можна отримати деформацією холестеричних і нематичних рідких кристалів.

Двопроменезаломлювання нематиків монотонно спадає з ростом температури й різко падає до нуля в точці фазового переходу в ізотропну рідину. Коефіцієнт заломлення для незвичайного проміння ne різко зменшується з ростом температури, а коефіцієнт заломлення звичайного проміння n0 повільно росте. Показано, що термічна залежність двопроменезаломлювання нема тиків визначається дисперсійними силами й силами відштовхування.

Надзвичайними оптичними властивостями володіють системи типу «закручений нематик». Цю систему можна отримати таким чином: рідкий кристал поміщають між двома скляними пластинками, поверхні яких оброблені таким чином, щоб шар нематика орієнтувався пленарно, й пластини закручують відносно один одного на 90о. В результаті повороту пластин оптична вісь нематика деформується. Шар закрученого нематика в паралельних поляроїдах дає темне поле зору, оскільки напрямок поляризації світла, що проходить через шар кристала, повертається на π/2. Більш ретельний експеримент Гука й Таррі показав, що світло, яке проходить через шар закрученого нематика, поляризоване по еліпсу і поле зору затемнене не повністю.

Смектичні рідкі кристали, молекули в яких побудовані перпендикулярно смектичним площинам, оптично одновісні. Кристали смектичні, для яких характерна орієнтація молекул нахилена до плоскості шарів, оптично двохвісні.

Найбільш цікаві оптичні властивості мають холестерині рідкі кристали. Холестерики, в відмінності від нематиків й смектиків, оптично негативні. Вони одноосні. Їх надзвичайними оптичними властивостями, що характерні для твердих кристалів в діапазоні рентгенівського випромінювання, є дуже сильна здібність обертати плоскість поляризації, круговий дихроїзм і селективне відображення світла. Ці виключні оптичні властивості рідких кристалів холестеричного типу – наслідок їх спіральної структури й того, що довжина кроку холестеричної спіралі порівняна з довжиною хвилі видимого світла.

 

Перехід Фредерікса

Перехід Фредерікса — явище переорієнтації молекул рідкого кристалу під дією електричного поля. У матеріалах із додадтною діелектричною анізотропією молекули намагатимуться повернутись вздовж напрямку електричного поля. У матеріалі з від'ємною діелектричною анізотропією — впоперек напрямку поля. Кут повороту при цьому залежатиме від напруги.

Рідкі кристали складаються із видовжених молекул. Міжмолекулярна взаємодія забезпечує те, що в певному інтервалі температур молекули орієнтуються здебільшого паралельно, і, як наслідок, в рідині утворюється виділений напрямок. Впорядкування орієнтації молекул поширюється на далекі віддалі. Здебільшого орієнтація молекул в рідкому кристалі задається їхнім напрямком на поверхні. Однак, її можна змінити, приклавши електричне поле. Характерною особливістю рідких кристалів є те, що молекули переорієнтуються при дуже малому полі — достатньо напруги в кілька мілівольтів. В залежності від рідкого кристалу його молекули можуть орієнтуватися або паралельно до прикладеного поля, або перперникулярно до нього.

Перехід Фредерікса широко використовується в рідкокристалічних дисплеях. Кожен піксель такого дисплею містить комірку з рідким кристалом, орієнтованим певним чином завдяки поверхневим силам. Прикладення напруги до такої комірки змінює орієнтацію молекул в проміжку між поверхнями. В результаті змінюється оптична активність комірки, а, отже, її здатність пропускати поляризоване світло, створюючи можливість для відображення бажаної інформації.

Цей ефект у 70-ті роки за пропозицією нобелівського лауреата французького фізика П'єра де Жена, отримав назву «перехід Фредерікса».

 

Застосування рідких кристалів.

Рідкокристалічний дисплей.

Через 80 років після відкриття такого стану речовини, як рідкий кристал дві незалежні одна від одної групи вчених із RCALabs і Kent (Юта) створили перший рідкокристалічний дисплей на основі узагальнення результатів впливу на кристали електричними зарядами. Спочатку рідкокристалічні екрани використовувалися в годинниках. До 1984-го вдалося поліпшити розрізнювальну здатність рідких кристалів, що дозволило передавати зображення, а не тільки текст. Таким чином з’явилися ноутбуки.

І станом на сьогодні одне з найпоширеніших застосувань рідких кристалів є рідкокристалічний дисплей.

Рідкокристалічний дисплей (англ. liquid crystal display, LCD) — електронний пристрій візуального відображення інформації (дисплей), принцип дії якого ґрунтується на явищі електричного переходу Фредерікса в рідких кристалах. Дисплей складається з довільної кількості кольорових або монохромних точок (пікселів), і джерела світла або відбивача (рефлектора).

Кожна з кольорових точок рідкокристалічного дисплея складається з кількох комірок (як правило, з трьох), попереду яких встановлюються світлові фільтри (найчастіше — червоний, синій і зелений). Тобто колір певної точки і її яскравість визначається інтенсивностями світіння комірок, з яких вона складається.

Керування кожною рідкокристалічною коміркою здійснюється з допомогою напруги, яку подає на комірку один з транзисторів тонкої підкладки (TFT — абревіатура англійського виразу «Thin Film Transistors»).

Рідкокристалічні дисплеї мають низьке енергоспоживання, тому вони знайшли широке застосування, як в кишенькових пристроях (годинниках, мобільних телефонах, кишенькових комп'ютерах), так і в комп'ютерних моніторах, телевізорах тощо.

Піксель складається з: кольорового фільтра; горизонтального поляризатора; оточеного двома шарами скла рідкокристалічного шару, який здатен змінювати свою поляризацію; вертикального фільтра.

Екран LCD є масивом маленьких сегментів (пікселів), котрими можна маніпулювати для відображення інформації. LCD має кілька шарів, де ключову роль грають дві панелі, зроблені з вільного від натрію і дуже чистого скляного матеріалу, який називають субстратом або підкладкою. Проміжок між шарами заповнений тонким шаром рідкого кристалу. На панелях є борозенки, що надають їм спеціальної орієнтації. Борозенки розташовані паралельні між собою в межах кожної панелі, але борозенки однієї панелі перпендикулярні до борозенок іншої. Поздовжні борозенки утворюються внаслідок нанесення на скляну поверхню тонких плівок прозорого пластику, що потім спеціальним чином обробляється.

Борозенки орієнтують молекули рідкого кристалу однаково у всіх комірках. Молекули одного з типів рідких кристалів (нематиків) при відсутності напруги повертають вектори електричного (і магнітного) полів світлової хвилі на деякий кут у площині, перпендикулярній до напрямку поширення світлового променя. Нанесення борозенок на поверхню скла дозволяє забезпечити однаковий кут повороту площини поляризації для всіх комірок. Проміжок між панелями дуже тонкий.