Исследование ориентационной упорядоченности пристенных

Èññëåäîâàíèå îðèåíòàöèîííîé óïîðÿäî÷åííîñòè
ïðèñòåííûõ ñëîåâ íèòðîáåíçîëà, îáðàçîâàííûõ
íà ìåòàëëè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè
Öàðãîðîäñêàÿ À.Á., Àëòîèç Á.À., Ïîïîâñêèé À.Þ.
Îäåññà, ÎÃÓ, Äâîðÿíñêàÿ,2.
Ïðîâåäåíî èññëåäîâàíèå çàâèñèìîñòè îðèåíòàöèîííîé óïîðÿäî÷åííîñòè
â ïðèñòåííûõ ñëîÿõ íèòðîáåíçîëà, îáðàçîâàííûõ íà ìåòàëëè÷åñêîé
ïîâåðõíîñòè, îò òîëùèíû ñëîÿ æèäêîñòè. Óñòàíîâëåíî, ÷òî íèòðîáåíçîë íà
ìåòàëëè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè îáðàçóåò ýïèòðîïíûå æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå ñëîè
òîëùèíîé íà ïîðÿäîê áîëüøåé, ÷åì íà äèýëåêòðè÷åñêîé ïîäëîæêå.
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Èçâåñòíî, ÷òî ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ íà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà
æèäêîñòü – òâåðäîå òåëî ìîãóò îáðàçîâûâàòüñÿ ïîëèìîëåêóëÿðíûå (~0,1 ìêì)
ñëîè íåìåçîãåííîé æèäêîñòè ñ îðèåíòàöèîííîé ýïèòðîïíîæèäêîêðèñòàëëè÷åñêîé (ÝÆÊ) óïîðÿäî÷åííîñòüþ ìîëåêóë [1]. Äëÿ äèñïåðñíîé
ñèñòåìû ñ ðàçâèòîé ïîâåðõíîñòüþ âûñîêîå îòíîñèòåëüíîå ñîäåðæàíèå òàêîé
ôàçû ìîæåò ñêàçûâàòüñÿ íà òåïëîôèçè÷åñêèõ è äðóãèõ èíòåíñèâíûõ åå
õàðàêòåðèñòèêàõ [2].
Êðîìå òîãî, íàëè÷èå íà ÷àñòèöàõ òâåðäîé ôàçû ñòðóêòóðèðîâàííûõ
îáîëî÷åê, ñîñòîÿùèõ èç ìîëåêóë äèñïåðñèîííîé ñðåäû (â ñóñïåíçèÿõ) èëè
àäñîðáèðîâàííûõ èç ãàçîâîé ôàçû, ìîæåò èçìåíèòü êèíåòèêó (è ñàìó
âîçìîæíîñòü) ïðîöåññîâ êîàãóëÿöèè è àãðåãèðîâàíèÿ ÷àñòèö, ñåäèìåíòàöèè
è óñòîé÷èâîñòè äèñïåðñíîé ñèñòåìû [3].  ðÿäå ñëó÷àåâ, îáðàçîâàíèå òàêèõ
ñëîåâ â âûñîêîäèñïåðñíûõ ñèñòåìàõ âëèÿåò è íà èõ ðåîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà.
Ñòðóêòóðíûå ïàðàìåòðû (òèï è ñòåïåíü óïîðÿäî÷åííîñòè, ðàâíîâåñíàÿ
òîëùèíà) ÝÆÊ ñëîåâ çàâèñÿò îò ðîäà æèäêîñòè, ñâîéñòâ ïîäëîæêè,
òåìïåðàòóðû. Òàê, ìåòîäîì äèõðîèçìà ñîáñòâåííûõ ýëåêòðîííûõ ïîëîñ
óñòàíîâëåíî [4], ÷òî äëÿ ÝÆÊ ìîíîçàìåùåííûõ áåíçîëà è àëèôàòè÷åñêèõ
óãëåâîäîðîäîâ íà ïðîçðà÷íûõ äèýëåêòðè÷åñêèõ ïîäëîæêàõ (SiO2, Al 2O 3)
õàðàêòåðåí, â îñíîâíîì, ãîìåîòðîïíûé òèï óïîðÿäî÷åííîñòè ñ ïàðàìåòðîì
ïîðÿäêà S~0.3 è ðàâíîâåñíîé òîëùèíîé ds~100 íì.
Öåëüþ ðàáîòû áûëî èññëåäîâàíèå îðèåíòàöèîííîé óïîðÿäî÷åííîñòè ÝÆÊ
ñëîåâ íèòðîáåíçîëà, îáðàçîâàííûõ íà ìåòàëëè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè.  ñâÿçè ñ
íåïðîçðà÷íîñòüþ ìåòàëëè÷åñêèõ ïîäëîæåê, ïðèìåíÿâøèéñÿ â [4] ìåòîä
èññëåäîâàíèÿ äèõðîèçìà ñîáñòâåííûõ ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ â êëèíîâèäíîé
êþâåòå â ãåîìåòðèè “íà ïðîñâåò” íåâîçìîæåí. Èçó÷åíèå ñîáñòâåííûõ
ýëåêòðîííî-êîëåáàòåëüíûõ ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ âñëåäñòâèå èõ âûñîêîé
104
ýêñòèíêöèè ñ ïîìîùüþ ñâåòîâîäà ïåðåìåííîé òîëùèíû íåâîçìîæíî.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ñòðóêòóðû ïðèñòåííûõ ñëîåâ æèäêîñòè, îáðàçîâàííûõ
íà ìåòàëëè÷åñêîé ïîäëîæêå, èñïîëüçîâàëñÿ ìåòîä “ãîñòü-õîçÿèí” [4],
îñíîâàííûé íà èçó÷åíèè äèõðîèçìà ïðèìåñíûõ ìîëåêóë â îðèåíòàöèîííî
óïîðÿäî÷åííîé ìàòðèöå îñíîâíîãî âåùåñòâà.
ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀ
Ïðèñòåííûå ñëîè íèòðîáåíçîëà îáðàçîâûâàëèñü íà ïîâåðõíîñòè êâàðöà ñ
íàïûëåííûì ñëîåì ïëàòèíû. Ñæàòèåì ïîäëîæåê (ðèñ.1) ôîðìèðîâàëñÿ
êëèíîâèäíûé çàçîð (5÷30 ìêì), êîòîðûé çàïîëíÿëñÿ èññëåäóåìîé æèäêîñòüþ
è ñêàíèðîâàëàñü (ñ øàãîì 0.2 ìì) óçêèì (øèðèíîé ~ 1 ìì) ìîíîõðîìàòè÷åñêèì
ñâåòîâûì çîíäîì. Ðàáî÷èå ïîâåðõíîñòè ïîäëîæåê ïðåäâàðèòåëüíî î÷èùàëèñü
îðãàíè÷åñêèìè ðàñòâîðèòåëÿìè  êà÷åñòâå èçîìîðôíîãî “ãîñòÿ”
èñïîëüçîâàëñÿ ðàñòâîðèìûé â àðîìàòè÷åñêèõ óãëåâîäîðîäàõ ÷åðíûé ñóäàí ñ
ìàêñèìóìîì ïîãëîùåíèÿ íà ÷àñòîòå ν 0 ~16500 ñì -1, ñîîòâåòñòâóþùåé
äèïîëüíîìó ìîìåíòó ýëåêòðîííîãî ïåðåõîäà, íàïðàâëåííîãî âäîëü äëèííîé
îñè ìîëåêóëû.
Ðèñ.1. Áëîê-ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé
óñòàíîâêè; 1 - èñòî÷íèê ñâåòà, 2 êëèíîâèäíàÿ ÿ÷åéêà, 3 - ïîëÿðèçàòîð, 4 ÔÝÓ, 5 - êîìïüþòåð, 6 - ñêàíèàòîð.
Ïîñëå èçìåðåíèÿ çàâèñèìîñòè ïðîïóñêàíèÿ (T0) íèòðîáåíçîëà îò òîëùèíû
êëèíîâèäíîãî çàçîðà ïðîâîäèëèñü àíàëîãè÷íûå èçìåðåíèÿ äëÿ ðàñòâîðà
“ãîñòÿ” â íèòðîáåíçîëå (T). Êîíöåíòðàöèÿ ñóäàíà ñîñòàâëÿëà 10-4 ìîëü/ë.
Èçìåðÿåìàÿ îïòè÷åñêàÿ ïëîòíîñòü D îêàçàëàñü ÷óâñòâèòåëüíà ê ñîñòîÿíèþ
ïîëÿðèçàöèè ïàäàþùåãî ñâåòà. Ïîýòîìó ïîãëîùåíèå èçìåðÿëîñü íà ÷àñòîòå
ν0 â äâóõ ïîëÿðèçàöèÿõ ïàäàþùåãî ñâåòà (E||n  p-ïîëÿðèçàöèÿ è E⊥n  hïîëÿðèçàöèÿ, ãäå n -íîðìàëü ê ïîâåðõíîñòè ïîäëîæêè).
Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü ñ ïîìîùüþ ñïåêòðàëüíî-âû÷èñëèòåëüíîãî
êîìïëåêñà, ñîáðàííîãî íà áàçå ñïåêòðîôîòîìåòðà SÐECORD M-40 è IBM ÐC,
ïîçâîëÿþùåãî ïðîâîäèòü çàïèñü ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ òîíêèõ ñëîåâ æèäêîñòè.
105
ÐÅÇÓËÜÒÀÒÛ È ÎÁÐÀÁÎÒÊÀ ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀ
Íà ðèñ.2 ïðåäñòàâëåíà çàâèñèìîñòü îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòè
D = ln (Ò0 /Ò),
ãäå Ò0 - êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ “õîçÿèíà”, à Ò - êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ
“ãîñòÿ”, îò òîëùèíû d êëèíîâèäíîé ïðîñëîéêè â p- è h-ïîëÿðèçàöèÿõ.
Àñèìïòîòè÷åñêè êðèâûå ñòðåìÿòñÿ (â ïðåäåëàõ îøèáîê ýêñïåðèìåíòà) ê
çíà÷åíèþ ïðîïóñêàíèÿ îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòè ðàñòâîðà ñóäàíà â îáúåìå.
Ðàçëè÷èå â ïîâåäåíèè êðèâûõ ñâÿçàíî ñ îðèåíòàöèîííîé óïîðÿäî÷åííîñòüþ
ìîëåêóë “ãîñòÿ” è ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî, êàê ìîëåêóëû ñóäàíà, òàê è
íèòðîáåíçîëà ãîìåîòðîïíî îðèåíòèðîâàíû. Ñðåäíèé (ïî ïðîñëîéêå
ïðåïàðàòà) ïàðàìåòð ïîðÿäêà îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå:
<S>=(R-1)/(R+2),
ãäå R = Dp/Dh - äèõðîè÷íîå îòíîøåíèå, Dp è Dh - çíà÷åíèå îïòè÷åñêîé ïëîòíîñòè
â p- è h-ïîëÿðèçàöèÿõ ïàäàþùåãî ñâåòà ñîîòâåòñòâåííî. Èç çàâèñèìîñòè
ïàðàìåòðà ïîðÿäêà <S> îò òîëùèíû d (ðèñ.3) ñëåäóåò, ÷òî ïðîñëîéêà ïðåïàðàòà
íåîäíîðîäíà, çíà÷åíèå S~0.3 (òèïè÷íîå äëÿ ÝÆÊ íèòðîáåíçîëà) ñîîòâåòñòâóåò
òîëùèíå d≈3 ìêì, ÷òî îïðåäåëÿåò òîëùèíó ds ïðèñòåííîãî ÝÆÊ ñëîÿ.
Ðèñ.2. Çàâèñèìîñòü îïòè÷åñêîé
ïëîòíîñòè “ãîñòÿ” D îò òîëùèíû
êëèíîâèäíîé ïðîñëîéêè d â ð- (1) è h(2) ïîëÿðèçàöèÿõ ïàäàþùåãî ñâåòà.
 ðàíåå [4] ïðîâåäåííûõ èçìåðåíèÿõ ÝÆÊ ñëîÿ íèòðîáåíçîëà ìåòîäîì
äâîéíîãî ëó÷åïðåëîìëåíèÿ (ÄËÏ) â ñâåòîâîäå ïåðåìåííîé òîëùèíû ñ
ìåòàëëè÷åñêèìè ñòåíêàì óñòàíîâëåíî, ÷òî òîëùèíà ÝÆÊ ñëîÿ ds ~12 ìêì.
Ðàçëè÷èå â îöåíêå òîëùèíû ÝÆÊ ñëîÿ, èçìåðÿåìîãî ìåòîäîì “ãîñòüõîçÿèí” è ÄËÏ, ìîæåò áûòü ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî â [1] â êà÷åñòâå ïîäëîæåê
èñïîëüçîâàëèñü ñòàëüíûå ïëèòêè Éîãàíñîíà, ïîêðûòûå îêèñíûì ñëîåì. Êðîìå
òîãî, ñóùåñòâåííûì íåäîñòàòêîì ìåòîäà ÄËÏ ÿâëÿåòñÿ íèçêàÿ òî÷íîñòü
èçìåðåíèé.
106
Ðèñ.3 Çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî ïàðàìåòðà ïîðÿäêà <S> îò òîëùèíû
êëèíîâèäíîé ïðîñëîéêè d.
ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ
Äëÿ èçìåðåíèé ïàðàìåòðîâ ïðèñòåííîãî ñëîÿ ðàçðàáîòàí
óñîâåðøåíñòâîâàííûé ìåòîä “êþâåòû ïåðåìåííîãî ñå÷åíèÿ”, ñî÷åòàâøèé
ïðåèìóùåñòâà è êëèíîâèäíîãî ñëîÿ è ñâåòîâîäà ïåðåìåííîé òîëùèíû.
Ïîêàçàíî, ÷òî íèòðîáåíçîë íà ìåòàëëè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè îáðàçóåò
îðèåíòàöèîííî óïîðÿäî÷åííûå ïðèñòåííûå ñëîè ãîìåîòðîïíîé ñòðóêòóðû,
ðàâíîâåñíàÿ òîëùèíà êîòîðûõ ïîðÿäêà 3 ìêì.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
1. B.A.Altoiz, Yu.M.Ðoðovskij, A.Yu.Ðoðovskij. The structure of orientationally
ordered boundary layers of liquids.//Mol.Mat.,1995, Vol.5, ðð.113-122.
2. Á.À.Àëòîèç, Ä.È.Ïîëèùóê. Îïðåäåëåíèå òåïëîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ
ñóñïåíçèé.// Ôèçèêà àýðîäèñïåðñíûõ ñèñòåì. Âûï.3, 1973, Ñ.91-94.
3. Þ.Ì. Ïîïîâñêèé. Âëèÿíèå ãðàíè÷íîé ôàçû íà óñòîé÷èâîñòü è îáúåì
îñàäêà ñóñïåíçèè àýðîñèëà â íèòðîáåíçîëå.//Ïîâåðõíîñòíûå ñèëû â òîíêèõ
ïëåíêàõ è óñòîé÷èâîñòü êîëëîèäîâ. – Ì.: Íàóêà, 1974. Ñ.242-245.
4. B.V.Derjaguin, B.A.Altoiz, I.I.Nikitenko. Epitpopic liquid crystal layers of
nonmesogens on quarts substrate.//J .of Colloid and Interface Science, 1991, Vol.145,
¹2, pp.441-446.
107