SPRAWOZDANIE

1. Wstęp.

Celem ćwiczenia było poznanie charakterystyki i właściwości elektrooptycznych ciekłych kryształów oraz zbadanie ich przejść fazowych wraz z wyznaczeniem temperatur przejść. W trakcie zajęć zostało także przeanalizowane działanie wyświetlacza ciekłokrystalicznego.

1. Podstawowe wiadomości o świetle.

Światło – widzialna część promieniowania elektromagnetycznego, czyli rozprzestrzeniająca się fala zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm. Światło w próżni rozchodzi się z jednakową prędkością w każdym układzie odniesienia (prędkość światła c = 300 000 km/s).

Zakres fal elektromagnetycznych rozciąga się o wiele szerzej niż zakres światła widzialnego.

1. Układ pomiarowy.

Badane próbki związków ciekłokrystalicznych mają postać cienkich warstw umieszczonych w komórkach typu „sandwich”. Komórki te obserwowane były

pod mikroskopem polaryzacyjnym między skrzyżowanymi polaryzatorami. Obraz spod mikroskopu obserwowaliśmy na monitorze (połączonym z mikroskopem).

Pomiarów dokonywaliśmy podczas: badania przejść

fazowych przy ogrzewaniu oraz badania efektów elektrooptycznych. W pierwszym przypadku komórka z próbką ciekłokrystaliczną znajduje się w uchwycie, którego temperaturą można sterować za pomocą stabilizatora temperatury. W drugim przypadku doprowadzenia elektryczne komórek podłączone są do generatora napięcia sinusoidalnego o częstościach z zakresu 0.005Hz ÷ 5.5MHz.

1. Opis eksperymentu.

Badanie deformacji tekstury nematyka.

Komórkę typu „sandwich” z próbką nematyka o dodatniej anizotropii dielektrycznej o teksturze skręconego nematyka umieściliśmy w mikroskopie polaryzacyjnym ze

skrzyżowanymi polaryzatorami.

Po włączeniu „pola sterującego” obserwowaliśmy warstwę nematyka na ekranie monitora, jednocześnie manipulując wartością częstotliwości. Wartość częstotliwości, przy której nastąpiło rozjaśnienie pola widzenia to 270 kHz – jest to częstość progowa – przy tej wartości molekuły zmieniły swoją teksturę ze skręconego nematyka na teksturę homeotropową (długie osie molekuł ustawiły się równolegle do kierunku działania pola).

Następnie wykonaliśmy 12 pomiarów napięcia dla określonych wartości częstości progowej i na ich podstawie sporządzony został poniższy wykres.

1. Przedstawienie zasady działania wyświetlacza ciekłokrystalicznego z nematykiem skręconym o anizotropii dielektrycznej dodatniej.

Wszystkie rodzaje wyświetlaczy ciekłokrystalicznych składają się z czterech podstawowych elementów:

- komórek, w których zatopiona jest niewielka ilość ciekłego kryształu

- elektrod, które są źródłem pola elektrycznego działającego bezpośrednio na ciekły kryształ

- dwóch cienkich folii, z których jedna pełni rolę polaryzatora a druga analizatora.

- źródła światła (diody).

Zasada działania - światło wnikające do wyświetlacza jest wstępnie polaryzowane pionowo przez polaryzator górny, następnie przechodzi przez szklaną elektrodę i warstwę ciekłego kryształu. Specjalne mikrorowki na elektrodach wymuszają takie uporządkowanie cząsteczek tworzących warstwę ciekłokrystaliczną, aby przy wyłączonej elektrodzie nastąpiło obrócenie polaryzacji światła o 90°. Dzięki temu światło może przejść przez polaryzator dolny pełniący rolę analizatora światła, który przepuszcza tylko światło spolaryzowane poziomo, odbić się od lustra, przejść ponownie przez analizator, ulec ponownej zmianie polaryzacji o 90° na warstwie ciekłego kryształu i ostatecznie opuścić bez przeszkód wyświetlacz, przez górną folię polaryzacyjną. Po przyłożeniu napięcia do elektrod, generowane przez nie pole elektryczne wymusza taką zmianę uporządkowania cząsteczek w warstwie ciekłego kryształu, że nie obraca ona polaryzacji światła. Powoduje to, że światło nie przechodzi przez analizator, co daje efekt czerni.

1. Opis i wnioski dotyczące badanych przejść fazowych.

Wyznaczanie temperatury przejść fazowych ciekłych kryształów.

Komórka zawierająca próbkę ciekłokrystaliczną została umieszczona w uchwycie

temperaturowym w mikroskopie polaryzacyjnym przy skrzyżowanych polaryzatorach.

Po włączeniu układu podgrzewania próbki uważnie obserwowaliśmy próbkę na ekranie monitora. Gdy obraz ulegał całkowitemu zaczernieniu (lub rozjaśnieniu) notowaliśmy temperaturę. Następnie stopniowo ochładzaliśmy próbkę również obserwując ekran i notując temperatury przejść. To samo zrobiliśmy dla drugiej próbki. Uzyskaliśmy następujące wyniki:

1. Próbka I

1. Podgrzewanie

36,1^o C – temperatura przejścia z fazy krystalicznej w ciekły kryształ

42^o C – temperatura przejścia z ciekłego kryształu w ciecz izotropową

1. Chłodzenie

41,5^o C – temperatura przejścia z cieczy izotropowej w ciekły kryształ

25,4^o C – temperatura przejścia z ciekłego kryształu w fazę krystaliczną

1. Próbka II

1. Podgrzewanie

47,7^o C – temperatura przejścia fazy krystalicznej w ciekły kryształ

61,8^o C – temperatura przejścia ciekłego kryształu w ciecz izotropową

1. Chłodzenie

58^o C – temperatura przejścia z cieczy izotropowej w ciekły kryształ

35,6^o C – temperatura przejścia z ciekłego kryształu w fazę krystaliczną

Jak widać powyżej, temperatury przejść i przejść odwrotnych wykazują między swoimi wartościami kilkostopniowe różnice, wynika to z naturalnych właściwości ciekłych kryształów. Widzimy także, że temperatury poszczególnych przejść dla 2 różnych próbek są odmienne, wynika z tego, że w zależności od rodzaju każdy ciekły kryształ wykazuje inne właściwości.

Bardzo istotnym aspektem dotyczącym ciekłych kryształów jest możliwość sterowania ich własnościami optycznymi poprzez manipulowanie wartością kąta między kierunkiem osi optycznej (związanej z kierunkiem długich osi molekuł) a kierunkiem wektora E fali świetlnej. Efekt ten uzyskać można poprzez zmianę kierunku uporządkowania długich osi molekuł. W tym celu należy przyłożyć do nematyka stałe lub wolnozmienne zewnętrzne „sterujące” pole elektryczne, które powoduje, że trwałe momenty dipolowe, zarówno sztywno związane z osiami molekuł tych związków jak i indukowane, obracają się zgodnie ze zmianami pola elektrycznego (trwałe momenty dipolowe cząstek nematyków nie nadążają za zmianami wektora natężenia pola elektrycznego fali świetlnej E(t) ze względu na swoją dużą bezwładność) .