Ferroelectric smectic-A phase made of bent-core liquid crystals : structure and dielectric response in thin cells : doctoral dissertation

angleški

doktorska dela

2016

bent-core liquid crystals   confined geometry   dielektrični odziv   diselectric response   Disertacije   dissertations   fenomenološki kontinuumski model   feroelektrična smektična-A faza   ferroelectric smectic-A phase   omejena geometrija   pahljačasta deformacija spontane polarizacije   phenomenological continuum model   polarization splay   površinsko sidranje   surface anchoring   Tekoči kristali   tekoči kristali z ukrivljeno sredico

Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko

V doktorski disertaciji obravnavamo strukturo in dielektrični odziv tekočih kristalov z ukrivljeno sredico v feroelektrični smetični-A (Sm-AP spodaj F) fazi v tankih planarnih celicah. Sm-AP spodaj F fazo, ki jo tvorijo materiali, v katerih so osnovni gradniki ukrivljene molekule, so odkrili leta 2011. Sm-AP spodaj F faza je feroelektrični materiali z najvišjo do sedaj opaženo simetrjo in predstavlja plastni feroelektrik z najvišjo dovoljeno simetrijo. Za preučevanje struktur v tankih planarnih celicah zgradimo minimalni fenomenološki kontinuumski model. Skupek molekul v majhni prostornini opišemo z direktorjem (vektor n), ki določa povprečno usmerjenost vseh dolgih osi molekul v skupku, in s polarnim direktorjem (vektor p), ki kaže v smeri lokalne polarizacije. V izbrani geometriji je direktor v smektičnih plasteh konstanten, spreminja se le smer polarnega direktorja. Ravnovesno strukturo polarnega direktorja v celici določa tekmovanje med navori zaradi elastičnosti, elektrostatičnega učinkom in površinskega sidranja. Dobimo jo z minimizacijo proste energije. Strukturo polarnega direktorja v celici poiščemo v odvisnosti od vrste in jakosti površinskega sidranja, velikosti elastičnih konstant ter od debeline celice. Obravnavamo tudi strukturo krajevnega ureditvenega parametra v celici v odvisnosti od jakosti konstantnega zunanjega električnega polja. Ukrivljene molekule tekočih kristalov imajo permanentni električni dipol. V zunanjem električnem polju na dipol deluje navor, ki želi zavrteti dipol v smeri polja. V tem primeru je krajevna odvisnost polarnega direktorja odvisna od površinskega sidranja, elastičnih lastnosti materiala in jakosti polja. Z vrtenjem dipolov v zunanjem električnem polju se spremenijo optične lastnosti tekočekristalne celice, zato je Sm-AP spodaj F faza obetavna za uporabo v zaslonih s hitrim odzivnim časom, visoko ločljivostjo, dobrim kontrastom, zvezno sivo skalo ter širokim vidnim kotom. Še posebej nas zanima dielektrični odziv Sm-AP spodaj F faze. Z izmeničnim zunanjim poljem na tekoči kristal delujemo na dva načina: zanihamo smer lokalne polarizacije, torej smer polarnega direktorja (fazni način nihanja), in lokalno večamo in manjšamo stopnjo urejenosti električnih dipolov ter s tem velikost lokalne polarizacije (amplitudni način nihanja). Z numeričnim pristopom raziščemo, kako jakost električnega polja, debelina celice, jakost ter vrsta površinskega sidranja in razmerje velikosti med elastičnima konstantama za upogibno in pahljačasto deformacijo, vplivajo na frekvenco faznega in amplitudnega načina nihanja. Za specifično izbrane parametre izračunamo tudi analitično rešitev. Napovedi teoretičnega modela se ujemajo z rezultati obstoječih eksperimentalnih meritev. V disertaciji preučimo tudi učinek različnih vrst sidranj na površini in zato definiramo tri različne vrste celic. V vseh treh vrstah poiščemo ravnovesno strukturo polarnega direktorja ter dielektrični odziv. V prvi vrsti celice je na obeh površinah celice enako močno polarno sidranje. V drugi vrsti dodamo poleg enako močnega polarnega sidranja na obeh površinah še nepolarno sidranje na spodnji površini. V tretji vrsti celice je na obeh površinah polarno sidranje, ki pa ni enako močno. Napovemo, da s primerjavo dielektričnega odziva Sm-AP spodaj F faze v vseh treh vrstah celic lahko določimo vrsto pahljačaste deformacije spontane polarizacije v tekočih kristalih iz ukrivljenih molekul. Doktorsko delo je sestavljeno iz treh sklopov. V prvem predstavimo osnovne fizikalne lastnosti feroelektričnih tekočih kristalov s poudarkom na lastnostih tekočih kristalov iz ukrivljenih molekul. V drugem sklopu razvijemo fenomenološki kontinuumski model, v tretjem delu pa obravnavamo dielektrični odziv v zunanjem električnem polju.

08.08.2023