Nieliniowość optyczna
3-1
1
CIEKŁE KRYSZTAŁY
Ciekłe kryształy są substancjami zbudowanymi głównie z
wydłużonych sztywnych molekuł o dużej anizotropii własności
fizycznych
Kształt molekuł wpływa na ich daleko zasięgowe wzajemne
oddziaływanie wywołane siłami van der Waalsa.
•
Oddziaływanie to w fazie ciekłokrystalicznej jest na tyle
słabe, że dopuszcza przesuwanie się molekuł względem
siebie, faza ciekłokrystaliczna ma właściwości płynięcia jak
ciecze.
•
Jednocześnie jest na tyle silne, że wymusza uporządkowanie
kierunku, wzdłuż którego leżą - ośrodek jest anizotropowy, co
jest cechą charakterystyczną kryształów.
ciecz nematyczny ciekły kryształ kryształ
Anizotropowy kształt molekuł i ich ukierunkowanie powoduje
anizotropię własności fizycznych, takich jak przenikalność
elektryczna,
przenikalność
magnetyczna,
przewodność
elektryczna, przewodność termiczna, lepkość i in.
Nieliniowość optyczna
3-2
2
PRZYKŁADY CK
Istotną cechą substancji, które mogą występować jako ciekłe
kryształy, jest
wydłużony kształt
ich molekuł (d ≥ 6
φ
)
N=N
CH O
3
OCH
3
O
p-azoksyanizol (PAA)
CH=N
CH O
3
C H
4
9
4-n-butylo-N-(4-metoksybenzylideno) - anilina (MBBA)
C H
8
19
CN
oktylocyjanodwufenyl (OCB)
X
Y’
Y
ogólny schemat budowy molekuł ciekłokrystalicznych
CH
2
CH
2
CH
2
CH CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
CH
O
C
O
C H
8
17
pierścienie
benzenowe
długość 2nm,
szerokość 0,3 – 0,4 nm
pelargonian cholesterylu (CN)
Nieliniowość optyczna
3-3
3
MODELE CZASZOWE
Skomplikowane nazwy związków zastąpione są
skrótami pochodzącymi od angielskich nazw tych
związków.
7CBB
7DBT
8OBCAB
7TCPHB
benzen
Nieliniowość optyczna
3-4
4
TYPY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW
•
termotropowe, w których faza ciekłokrystaliczna występuje w
pewnym przedziale temperatur,
•
liotropowe, z fazą ciekłokrystaliczną w roztworach oraz
polimerowe.
W CK termotropowych różne typy uporządkowania:
•
faza nematyczna
•
fazy smektyczne oraz ich formy chiralne (skręcone)
•
faza cholesterolowa.
Nieliniowość optyczna
3-5
5
NEMATYK
CHOLESTERYK
Nieliniowość optyczna
3-6
6
SMEKTYKI
In the smectic-A mesophase, the director is perpendicular to the smectic plane, and there is no particular
positional order in the layer. Similarly, the smectic-B mesophase orients with the director perpendicular to
the smectic plane, but the molecules are arranged into a network of hexagons within the layer. In the
smectic-C mesophase, molecules are arranged as in the smectic-A mesophase, but the director is at a
constant tilt angle measured normally to the smectic plane.
Nieliniowość optyczna
3-7
7
STOPIEŃ UPORZĄDKOWANIA
n
θθθθ
Drgania termiczne molekuł powodują odchylenia od
równoległości i jedynie średni kierunek ich długości do
osi pozostaje niezmieniony.
0
5
10
15
20
0,0
0,5
1,0
S=0,15 J
S
J=
∆α<|
E
|
2
>
/2kT
Director – wektor
n
wskazujący średni
kierunek molekuł
S = < 3 cos
2
θθθθ
- 1 >
Nieliniowość optyczna
3-8
8
PRZEJŚCIA FAZOWE
S
T
C
S
A
N
I
1
0
0.9
0.4
÷
0.7
Przykładowa zmiana wartości parametru uporządkowania w
funkcji temperatury dla fazy C-krystalicznej, S
A
-smektycznej,
N-nematycznej, I-cieczy izotropowej
TEMPERATURA
PRZEJŚCIA →
K - N
K - S
S - CH
S - N
N - I
CH - I
PAA
118
-
-
-
135
-
MBBA
22
-
-
-
47
-
CN
-
74
81
-
-
93
OCB
-
21
-
32
40
-
Nieliniowość optyczna
3-9
9
TEKSTURY
Tekstury molekularne (sposób ułożenia cząsteczek)
•
planarna
•
skręconego nematyka
•
homeotropowa
•
Grandjeana - oś linii śrubowej kryształu cholesterolowego
prostopadła do ścianek
•
konfokalna - mikroskopijne bryłki kryształów
smektycznych i cholesterolowych silne zmętnienie
OTWICZENIE NA ŚCIANKACH
Oddziaływania powierzchniowe – nawet słabe pozwalają
radykalnie zmieniać własności optyczne ciekłych kryształów.
Wytwarzanie tektur:
-
planarnej przez jednokierunkowe polerowanie ciał stałych lub
przez ukośne napylanie warstw dielektryków i metali.
-
homeotropowej przez naniesienie na powierzchnię ciała
stałego bardzo cienkiej warstwę substancji o wydłużonych
molekułach, mających na jednym końcu grupę polarną, np.
lecytyny.
Nieliniowość optyczna
3-10
10
DEFORMACJE
Kierunek uporządkowania molekuł ciekłego kryształu może być
zmieniony przez zewnętrzne pola.
Zmiana kierunku uporządkowania ciekłego kryształu wiąże się z
wystąpieniem deformacji.
Deformacje typu
E
⊗
⊗
⊗
⊗
E
E
splay twist bend
•
i = 1, deformacja typu splay zwana wachlarzową związana
ze zginaniem poprzecznym,
•
i = 2, deformacja typu twist zwana skręceniową,
•
i = 3, deformacja typu bend zwana ugięciową związana ze
zginaniem podłużnym.
Nieliniowość optyczna
3-11
11
WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE
dwójłomność
ciekłych kryształów polega na tym, że współczynnik
załamania światła zależy od kierunku drgań wektora
elektrycznego fali świetlnej względem osi optycznej
aktywność optyczna
skręcalność płaszczyzny drgań światła spolaryzowanego.
W kryształach cholesterolowych na drodze 1mm skręcenie
może mieć wymiar tysięcy stopni i może być łatwo sterowane
termicznie, chemicznie, elektrycznie, magnetycznie lub
mechanicznie.
selektywne odbicie światła
związane jest z tym, że długość skoku śruby cholesterolowej
jest porównywalna z długością fali świetlnej.
ZASTOSOWANIA
Zmiana własności optycznych:
•
koloru
•
przezroczystości
•
aktywności optycznej
•
współczynnika załamania
•
współczynnika rozpraszania
w zależności od czynników zewnętrznych
•
temperatury
•
pole elektrycznego (przy napięciach kilku V)
•
ś
wiatła
Wyświetlacze, przyrządy pomiarowe, przełączniki elektryczne i
optyczne, elementy logiczne
Nieliniowość optyczna
3-12
12
STEROWANIE ELKTRYCZNE
Między skrzyżowanymi polaroidami umieszcza się
komórkę zawierającą warstwę planarnie zorientowanego
nematyka o dodatniej anizotropii dielektrycznej.
Pod działaniem pola elektrycznego zachodzi indukowana
przemiana fazowa cholesterolowego ciekłego kryształu w
nematyk.