Nieliniowość optyczna 3-1
CIEKA
E KRYSZTAA
Y
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.
1
 Nieliniowość optyczna 3-2
PRZYKA
ADY CK
Istotną cechą substancji, które mogą występować jako ciekłe
kryształy, jest wydłużony kształt ich molekuł (d e" 6Ć)
CH3O N=N OCH3
O
długość 2nm,
p-azoksyanizol (PAA)
szerokość 0,3  0,4 nm
CH O C H
CH=N
3 4 9
4-n-butylo-N-(4-metoksybenzylideno) - anilina (MBBA)
C8H19 CN
oktylocyjanodwufenyl (OCB)
pierścienie
benzenowe
Y X Y
ogólny schemat budowy molekuł ciekłokrystalicznych
CH
3
CH CH CH CH CH CH
2 2 2 3
CH CH
3 3
CH
3
O
pelargonian cholesterylu (CN)
C8H17 C O
2
 Nieliniowość optyczna 3-3
MODELE CZASZOWE
Skomplikowane nazwy związków zastąpione są
skrótami pochodzącymi od angielskich nazw tych
związków.
7CBB
7DBT
8OBCAB
7TCPHB
benzen
3
 Nieliniowość optyczna 3-4
TYPY CIEKA
YCH KRYSZTAA
ÓW
" 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.
4
 Nieliniowość optyczna 3-5
NEMATYK
CHOLESTERYK
5
 Nieliniowość optyczna 3-6
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.
6
 Nieliniowość optyczna 3-7
STOPIEC
UPORZ
DKOWANIA
Director  wektor n
n
¸
¸
¸
¸
wskazujący średni
kierunek molekuł
Drgania termiczne molekuł powodują odchylenia od
równoległości i jedynie średni kierunek ich długości do
osi pozostaje niezmieniony.
1,0
S=0,15 J
S
0,5
0,0
0 5 102 15 20
J="Ä…<|E| >/2kT
S = < 3 cos2¸ - 1 >
¸
¸
¸
7
 Nieliniowość optyczna 3-8
PRZEJÅšCIA FAZOWE
S
C
SA
1
N
0.9
÷
0.4 0.7
I
0
T
Przykładowa zmiana wartości parametru uporządkowania w
funkcji temperatury dla fazy C-krystalicznej, SA-smektycznej,
N-nematycznej, I-cieczy izotropowej
TEMPERATURA
PRZEJÅšCIA
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 -
8
 Nieliniowość optyczna 3-9
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 ÅšCIANKACH
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.
9
 Nieliniowość optyczna 3-10
DEFORMACJE
Kierunek uporządkowania molekuł ciekłego kryształu może być
zmieniony przez zewnętrzne pola.
Zmiana kierunku uporządkowania ciekłego kryształu wiąże się z
wystÄ…pieniem deformacji.
Deformacje typu
"
"
"
"
E
E
E
splay twist bend
" i = 1, deformacja typu splay zwana wachlarzowÄ… zwiÄ…zana
ze zginaniem poprzecznym,
" i = 2, deformacja typu twist zwana skręceniową,
" i = 3, deformacja typu bend zwana ugięciową związana ze
zginaniem podłużnym.
10
 Nieliniowość optyczna 3-11
WA
AÅšCIWOÅšCI 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)
" światła
Wyświetlacze, przyrządy pomiarowe, przełączniki elektryczne i
optyczne, elementy logiczne
11
 Nieliniowość optyczna 3-12
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.
12