Jan FEB Mar 24 2008 2009 2010 1 capture 24 Feb 09 - 24 Feb 09

Close Help

III. FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI KAPALNÝCH KRYSTALŮ

Strukturu kapalných krystalů lze snadno ovlivnit vnějšími poli i tvarem a vlastnostmi stěn nádob, ve kterých jsou umístěny. Těchto vlastností se využívá k uspořádávání a orientaci vzorků používaných ke studiu i pro aplikace v displejích. Jako nádobky se většinou používá skleněných planárních cel s definovanou tloušťkou. Povrchy skel jsou opatřeny průhlednými elektrodami, které slouží k přiložení elektrického pole a dále jsou speciálně upraveny tak, aby se molekuly na nich uchytily definovaným způsobem a to buď s dlouhou osou rovnoběžnou s určitým směrem na povrchu (planární kotvení), nebo dlouhou osou kolmou na povrch (homeotropní kotvení) anebo šikmo k povrchu pod definovaným úhlem. Interakcemi mezi molekulami se toto uspořádání přenáší od povrchu dovnitř vzorku. Uvnitř vzorku je pak možno ještě uspořádání molekul ovlivnit pomocí elektrického nebo magnetického pole.

Na Obr. 5 je schéma uspořádání molekul ve dvou základních orientacích používaných při studiu kapalných krystalů i v aplikacích, tj. v planárním a homeotropním vzorku.

Zajištění definovaného kotvení molekul co do jeho síly a směru molekul je významným úkolem při přípravě vzorků i pro aplikace. Planární kotvení v určitém směru se obvykle realizuje jednosměrným leštěním skel na sametu. Skla jsou předem pokryta vrstvičkou polymeru (tloušťky  ~100 nm), např.  PVC  nebo polyamidu. Napaření  SiO  na povrch pod určitým úhlem vyvolá slabé planární nebo šikmé kotvení. Homeotropní kotvení se realizuje nanesením speciálních látek, např. lecitinu, nebo polysilanů, na povrch skel.

Obr. 5: Uspořádání molekul v (a) homeotropním, (b) planárním vzorku

III.1. Mechanické vlastnosti a flexoelektrický jev

V kapalných krystalech podobně jako v kapalinách nelze vyvolat prostorově homogenní deformace. Typickými deformacemi kapalných krystalů jsou  ohyb ,  rozevření  a  zkrut . Tyto nehomogenní deformace mohou být drženy povrchovým kotvením tak, jak je vidět na Obr. 6 a, b, c, nebo defekty uvnitř vzorku.

Obr. 6: Uspořádání molekul v základních deformacích

Důsledkem ohybové deformace nebo deformace rozevření může být i indukce náboje. K vysvětlení tohoto jevu je třeba uvažovat nesymetrický tvar molekul, který má za následek jejich speciální rozložení v ohybu nebo rozevření (viz Obr. 7). Tento jev, který je nehomogenní analogií piezoelektrického jevu známého u pevných látek, se nazývá  flexoelektrický jev .

Obr. 7: Uspořádání molekul (a) tvaru kapky v deformaci rozevření a (b) tvaru banánu v deformaci ohybu. Molekulární dipóly jsou označeny šipkami.

Důsledkem citlivosti kapalných krystalů na deformace je vznik četných poruch, které jsou pro kapalné krystaly typické. Tyto poruchy vytvářejí textury charakteristické pro jednotlivé fáze. Tyto fáze je pak možno podle pozorovaných textur identifikovat. Ve všech fázích je možno pozorovat čárové poruchy zvané  disklinace , tj. poruchy v rotační symetrii. Vidíme je v textuře vzorků jako nitě. Jsou typické zejména pro nematika, kterým daly jméno (řecké “nema” znamená vlákno).

Ve smektických kapalných krystalech se dále vyskytují poruchy ve vrstevnatém uspořádání  -  dislokace  -  známé i v pevných látkách. V případě větších deformacích dojde ke vzniku tzv.  fokálních konik , které jsou spojené s velkým zakřivením smektických vrstev.

III.2. Elektrické a magnetické vlastnosti

Interakce kapalných krystalů s elektrickým a magnetickým polem se dá popsat pomocí dielektrické a magnetické susceptibility. Jelikož struktura kapalných krystalů je anizotropní, jsou obě susceptibility tensory, tj. mají různou velikost v různých směrech. Mikroskopický původ dielektrické susceptibility je v působení elektrického pole na molekulární dipólové momenty, které se snaží uspořádat. Vlivem anizotropie struktury je dielektrická susceptibilita podél střední dlouhé osy molekul (direktoru), c_r , jiná než ve směru kolmém, c_k . Interakce s elektrickým polem lze pak popsat pomocí elektrické volné energie F_el, do níž vstupuje  dielektrická anizotropie  e_a = e_r - e_k, kde e = c + 1 , a skalární součin vektoru elektrického pole a direktoru:

.

Dielektrická anizotropie může být kladná i záporná. Při kladné anizotropii se molekuly natáčejí do směru elektrického pole, při záporné se staví kolmo na směr elektrického pole. V obou případech dojde ke snížení elektrické energie.

U feroelektrických kapalných krystalů, kromě výše popsané interakce s elektrickým polem, je třeba uvažovat ještě interakci pole se spontánní polarizací, která je dominantním jevem a bude popsána zvlášť.

Magnetická susceptibilita většiny kapalných krystalů, k , je záporná, to znamená, že jsou tzv. diamagnetické. Mikroskopický původ diamagnetické susceptibility je v delokalizaci protonů v benzenových jádrech, která jsou součástí molekul kapalných krystalů (viz Obr. 1). Podobně jako u elektrických vlastností je interakce magnetického pole s kapalným krystalem vyjádřena magnetickou volnou energií, která závisí na magnetické anizotropii  k_a = k_r - k_k , a na skalárním součinu vektoru magnetického pole a direktoru:

.

U kapalných krystalů platí  | k_k | > | k_r |  , tj.  k_a > 0 . V případě, kdy vektory    a    jsou paralelní, je energie  F_m  nejnižší, proto se molekuly natáčejí svojí dlouhou osou do směru magnetického pole.

Popsané děje dokumentují rozdíl chování vzorků kapalných krystalů a pevných krystalických látek. Pro oba tyto systémy je charakteristická anizotropie dielektrických i magnetických vlastností. U pevných látek v polích dojde pouze ke vzniku indukovaného elektrického nebo magnetického momentu, který je různě velký pro různou orientaci pole v materiálu. U kapalných krystalů, díky jejich tekutosti, dochází k reorientaci molekul vzhledem k vnějšímu poli. Proto je možno využívat vnější pole k uspořádávání kapalných krystalů ve vzorcích.

V případě, že vzorek je pomocí povrchového zakotvení orientován předem do homeotropního nebo planárního uspořádání (viz Obr. 5), je možné ho působením polí převrátit do uspořádání opačného. Tomuto chování se říká  Frederiksův přechod . Po vypnutí pole se molekuly zase vrátí zpět do uspořádání vynuceného povrchem. Na tomto principu pracují běžné displeje z kapalných krystalů, které vycházejí ze vzorků s planárním kotvením a k převracení je použito elektrické pole.

III.3. Optické vlastnosti

Nematika

Nematika jsou opticky jednoosé matriály s optickou osou rovnoběžnou s direktorem. Dvojlom je obrovský,  Dn ~ 0,2 – 0,3. V homeotropním vzorku (viz Obr. 5 a) Dn = 0, v planárním vzorku (viz Obr. 5 b) je maximální.

Unikátní optické vlastnosti má zkroucený (twistovaný) vzorek (viz Obr. 6). V něm dochází ke stáčení roviny polarizovaného světla o  p/2  bez ohledu na tloušťku vzorku. To znamená, že mezi zkříženými polarizátory propouští světlo (Obr. 8 a). Analogický jev je v pevných látkách neznámý. Zkroucený vzorek je základem displejů, které jsou v současné době nejběžnější. Elektrické pole přiložené na zkroucený vzorek prostřednictvím průhledné elektrody reorientuje tento vzorek na vzorek homeotropní (viz Obr. 8 b), kterým mezi zkříženými polarizátory světlo neprochází. K reorientaci dochází mechanismem Frederiksova přechodu, který zde vhodně funguje jen u materiálů s pozitivní dielektrickou anizotropií, tj.  e_a > 0. Po vypnutí pole se vzorek zase vrátí do zkrouceného uspořádání drženého povrchovým zakotvením molekul.

Na popsaném principu pracují tzv.  zkroucené displeje , které jsou v současné době nejvíce rozšířeny. Jak je známo, tyto displeje zobrazují tmavé znaky na světlém pozadí, protože světlo neprochází právě v částech displeje pod elektrickým polem.

Obr. 8: Struktura (a) zkrouceného vzorku a (b) téhož vzorku v elektrickém poli; A, P jsou zkřížené polarizátory.

Cholesterika

Cholesterika  jsou jednoosé, opticky negativní materiály, osa zkrutu je optickou osou. Podél ní dochází k rotaci roviny polarizovaného světla, rotace může být pravotočivá i levotočivá. Tento jev je analogií optické aktivity u pevných látek. U racemátu (směs pravotočivé a levotočivé látky ve stejné koncentraci) je struktura nezkroucená a rovněž nedochází ke stáčení roviny polarizovaného světla. Specifické rotace cholesterik  r  = 10¹ - 10² rad/mm, zatímco u křemene je jen 0,38 rad/mm. Teorie průchodu světla cholesterikem je velmi složitá. Vyplývá z ní, že pro vlnové délky kolem  l = pn  ( p  je krok spirálového uspořádání a  n  je index lomu) dochází k totálnímu odrazu. Jde pro podobný jev jako je  Braggova reflexe  u pevných látek v oblasti roentgenových vlnových délek.

V praxi to znamená, že při osvětlení bílým světlem vzorek se jeví jasně zbarvený podle odražené vlnové délky  l ~ p . Hodnota  p  se výrazně mění s teplotou, proto i vzorek mění barvu s teplotou. Tohoto jevu se využívá k mapování teplotních polí v lékařství nebo pro diagnostiku materiálů.

Smektika

Ortogonální smektické fáze jsou opticky jednoosé, positivní, optická osa je kolmá na vrstvy, tj. je rovnoběžná s direktorem jako u nematik. Nakloněná smektika, např.  SmC  jsou opticky dvojosá. Jednou osou optické indexové plochy je direktor, další osa leží ve smektické rovině.

Nakloněná chirální smektika např.  SmC*  (viz Obr. 4 a) jsou opticky jednoosá, osa zkrutu kolmá na smektické vrstvy je optickou osou. Podél ní dochází k rotaci roviny polarizovaného světla podobně jako u cholesterik. Na rozdíl od cholesterik nedochází zde však k totální reflexi, protože krok spirály u smektik je delší než vlnová délka viditelného světla.

III.4. Feroelektrické kapalné krystaly

Význačnou vlastností nakloněných chirálních smektik, jejichž hlavním representantem je  SmC* , je existence spontánního dipólového momentu (spontánní polarizace), jehož směr se dá převracet vnějším elektrickým polem. Proto se jim říká feroelektrické kapalné krystaly. Jejich struktura je popsána v  § II.2. a na  Obr. 4. Jejich chování v elektrickém poli je odlišné od chování ostatních kapalných krystalů, popsaného v  § III.2. Vnější elektrické pole interaguje s vektorem spontánní polarizace . Tato interakce je popsána volnou energií

,

která je minimální, je-li polarizace rovnoběžná s elektrickým polem (viz Obr. 4 b). Interakční energie  F_fer  je lineární funkcí elektrického pole, proto opačným polím odpovídají dvě různé orientace molekul (viz Obr. 9). Tyto dva stavy se liší orientací optické osy, která je rovnoběžná s direktorem. Mezi zkříženými polarizátory se extinkční polohy obou stavů liší o úhel  2q , kde  q  je úhel náklonu molekul ve vrstvě. Po vypnutí pole se struktura opět zkroutí.

Jiná situace nastává u tenkých vzorků, kde spirálová struktura je rozvinutá působením povrchů. Elektrické pole pak převrací strukturu stejně jako u tlustých vzorků, ale po vypnutí pole se struktura nezkroutí, ale zůstává v poslední dosažené orientaci. Jde o vzorky s pamětí, tzv. bistabilní. Tento elektrooptický jev díky jeho značnému optickému kontrastu, bistabilitě a značné rychlosti odezvy (~ ms) je z hlediska aplikací nejnadějnější jev v kapalných krystalech. Při orientaci polarizátoru podél direktoru jedné rozvinuté orientace dosáhneme vysokého kontrastu v případě, kdy  q  ~ 22,5° . Úhel mezi optickými osami obou stavů je pak optimální, tj. 45° .