Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Факультет фундаментальной физико-химической инженерии

Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
(Физико-химический факультет)
Институт физики твёрдого тела РАН
Отчет по научно-производственной практике
Студента третьего курса
Гордеева Станислава Олеговича
Руководитель практики
Долганов В.К., д.ф.-м.н.
Черноголовка, 2013 г.
Оглавление
Введение............................................................................................................................. 3
Актуальность.................................................................................................................... 3
Цель работы. ................................................................................................................... 4
Последовательность прохождения практики. ............................................................... 4
Характеристика предприятия. ........................................................................................... 6
Справка о компании. ....................................................................................................... 6
Научные задачи ИФТТ ................................................................................................... 6
Краткое описание процесса .............................................................................................. 8
Методы, используемые в работе. .................................................................................. 8
Образец ......................................................................................................................... 10
Теоретическое обоснование. ....................................................................................... 10
Результаты исследования. ............................................................................................ 12
Заключение....................................................................................................................... 16
Список литературы. .......................................................................................................... 17
2
Введение.
Актуальность.
Жидкие кристаллы – это фазовое состояние, по своей упорядоченности
промежуточное между кристаллом и изотропной жидкостью. Жидкие кристаллы
представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или
дискообразной формы [1]. Трансляционное упорядочение молекул в жидких
кристаллах частично или полностью отсутствует, однако молекулы упорядочены
ориентационно. Жидкие кристаллы обладают как свойствами жидкостей (текучесть),
так и кристаллов (анизотропия).
По своим общим свойствам жидкие кристаллы можно разделить на две
большие группы:
1) Лиотропные, представляющие собой двух- или более компонентные системы,
образующиеся в смесях стержневидных органических молекул и воды (или других
полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце
полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную
углеводородную цепь. Такие жидкие кристаллы весьма многочисленны и играют
большую роль в жизненных процессах, входя в состав мышечных тканей, мозга,
нервов, мембран.
2) Термотропные жидкие кристаллы, существующие в определенном интервале
температур и давлений. Основная область их применения – информационная техника
(дисплеи часов, телевизоров, мониторов).
Термотропные жидкие кристаллы, в свою очередь, делятся на три больших
класса:
1) Нематические жидкие кристаллы. Расположение центров масс их молекул не
обладает трансляционным упорядочением, но молекулы нематика расположены
приблизительно параллельно, и дальний порядок наблюдается только по отношению
к их ориентации.
2) Холестерические жидкие кристаллы - это те же нематические жидкие кристаллы
с тем различием, что они состоят из хиральных молекул. Как следствие этого, их
3
структура
имеет
винтовую
ось
симметрии,
расположенную
нормально
к
предпочтительной ориентации молекул.
3) Смектические жидкие кристаллы - более упорядоченные, в дополнение к
ориентационному упорядочению молекул обладающие слоевым трансляционным
упорядочением.
Наиболее значительным свойством некоторых жидких кристаллов, в частности
нематических, является их способность изменять ориентацию молекул под
воздействием
электрического
поля.
В
данной
работе
изучается
явление
нестабильности однородно ориентированного нематического жидкого кристалла во
внешнем электрическом поле (электрогидродинамическая неустойчивость). При
некоторой величине поля образуется структура, представляющая собой систему
чередующихся темных и светлых полос, называющуюся доменами КапустинаВильямса [2].
Цель работы.
Цель работы
–
познакомиться
с явлением
электрогидродинамической
неустойчивости в нематических жидких кристаллах, изучить поведение системы в
режиме неустойчивости, определение количественных величин, характеризующих
данное явление (порог возникновения доменов Капустина-Вильямса и периодичность
структуры).
Последовательность прохождения практики.
- Собрать две установки для исследования:
1) Для наблюдения структуры в микроскоп
2) Для получения дифракционной картины
- Сделать серию снимков при различном поле с использованием микроскопа,
определить пороговое значение напряжения и период структуры.
- Получить зависимость интенсивности 1-го максимума дифракционной картины от
напряжения, приложенного к образцу.
4
- Определить периодичность структуры из формулы дифракционной решетки и
сравнить со значением, полученным с помощью прямых наблюдений.
5
Характеристика предприятия.
Справка о компании.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики
твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) был образован 15 февраля 1963
г. Академией Наук СССР с целью обеспечить оптимальное сочетание и
взаимодействие фундаментальных исследований в области физики конденсированных
сред и физического материаловедения. Решающий вклад в формирование задач и
принципов организации ИФТТ сделали выдающийся ученый-металловед, академик
Георгий
Вячеславович
Курдюмов,
академик
Юрий
Андреевич
Осипьян
и
чл.корреспондент Чеслав Васильевич Копецкий.
В момент создания ИФТТ была угадана многообещающая перспектива нашей
области
науки,
сочетающей
высокий
уровень
показателей
активности,
востребованности новых результатов и неожиданность уже полученных. Дальнейшее
развитие подтвердило правильность исходных идей, заложенных в основание нашего
Института. В настоящее время ИФТТ представляет собой одно из крупнейших
академических учреждений физического профиля, является признанным научным
центром, успешно развивающим многообразные работы по широкому фронту научных
задач. За время существования в ИФТТ приобрели квалификацию и получили
возможность вести научные исследования более двух сотен научных сотрудников.
Было защищено около 60 докторских и около 300 кандидатских диссертаций. Из рядов
сотрудников ИФТТ выдвинулись три действительных члена Российской Академии
Наук (РАН) и пять членов-корреспондентов РАН.
Научные задачи ИФТТ являются сочетанием главнейших составляющих:
экспериментальные и теоретические направления физики твердого тела, как раздела
физики;
физическое материаловедение, как совокупность пересекающихся разделов
фундаментальный физики, физико-химии, механики;
Необходимая экспериментально-технологическая база обеспечивает проведение
фундаментальных и прикладных исследований. Для успешного решения научных
задач в Институте развита:
криогенная техника, работает станция ожижения гелия;
6
техника для исследования электронных и оптических свойств материалов при
температурах жидкого гелия (и ниже), и в сверхвысоких магнитных полях: EPR, NMR,
люминисценция, комбинационное рассеяние, транспортные измерения и т.д. (всего
около 200 работающих установок);
все необходимое для анализа кристаллических структур: современные
автоматические дифрактометры с приставками для низких-высоких температур,
электронные микроскопы сканирующие, просвечивающие, прямого разрешения,
туннельная и Оже-микроскопия;
специальная аппаратура высоких давлений до 500 кбар используется для
исследования структурных трансформаций и синтеза новых гидридов
интерметаллических соединений;
техника сверхвысоких магнитных полей и сверхнизких температур применяется в
экспериментах с макроквантовыми объектами;
выращиваются разнообразные кристаллы полупроводниковых соединений,
диэлектриков, тугоплавких металлов, монокристаллы высокотемпературных
сверхпроводников, имеется реальный опыт выращивания больших кристаллов
фуллерена - новой формы углерода, обеспечен необходимый уровень химических
методов анализа, очистки и синтеза;
обеспечены различные методы обработки материалов: пластическая деформация
прокаткой, прессованием, волочением, отжиг в защитной атмосфере молибдена,
ниобия, вольфрама в том числе монокристаллов и изделий из них;
обеспечены работы с композитными и нанокристаллическими материалами,
включая приготовление сплавов, механические испытания при заданных
температурах.
Опыт работы Института показал, что развитая и постоянно обновляемая
экспериментальная приборная база является достаточно эффективной в решении
задач, возникающих в современных условиях бурного развития физического
материаловедения и его прикладных разделов, связанных с высокой технологией.
7
Краткое описание процесса
Методы, используемые в работе.
На рисунке 1 и 2 показаны установки, использовавшиеся в работе.
На первом рисунке проиллюстрировано как на образец МББА (О) посредством
генератора (Г) и усилителя (У) подается напряжение, которое измеряется вольтметром
(В). Свет от лампы (Л) проходит через поляризатор (П) и освещает образец. На экран
компьютера (Э) подается изображение посредством камеры (К), установленной на
окуляре микроскопа (М). В результате мы можем наблюдать процессы, происходящие
с ячейкой в режиме реального времени на экране с увеличением микроскопа. С
помощью камеры снимались фотографии и видео образца при различных величинах
подаваемого напряжения.
На втором рисунке изображена установка для исследования дифракции в
образце. От лазера (Л) подается излучение, которое после светофильтра (Ф1) падает на
ячейку кристалла (О) и дифрагирует. На экране (Э) наблюдается дифракционная
картина, фотодиод (Ф) со светофильтром (Ф2) направлен на первый максимум. На
выходе фотодиода подключен вольтметр (В2), показывающий интенсивность
излучения.
В экспериментах использовался сигнал синусоидальной формы с частотой 120
Гц.
8
Рисунок 1- установка (1) для наблюдения явления неустойчивости в жидком кристалле с помощью оптического
микроскопа. К – камера; Э – экран; Г – генератор; У – усилитель; В – вольтметр; М – микроскоп; О – образец; П –
поляризатор ; Л – лампа
Рисунок 2 – принципиальная схема установки (2) для исследования дифракции на периодической структуре жидкого
кристалла. Г – генератор; У – усилитель; В – вольтметр; Л – лазер; Ф1,Ф2 – светофильтры; Ф – фотодиод; О – образец;
Э – экран
9
Образец
На рисунке 3 изображена ячейка, использовавшаяся в процессе работы. Ячейка
представляет собой два стекла, на поверхность которых нанесены полупрозрачные
электроды и полимерный ориентант. Между стеклами заключен нематический жидкий
кристалл метоксибензолиден-n-бутиланилин. Толщина ячейки составляет 40 мкм,
граничные условия – планарные (молекулы ориентированы своими длинными осями
параллельно опорным стеклам)
Рисунок 3 – схематическое устройство ячейки, использовавшейся в эксперименте.
Теоретическое обоснование.
В работе используется нематик МББА с анизотропией проводимости ∆𝜎 > 0 и
диэлектрической
анизотропией
перпендикулярно
электрическому
диэлектрической
анизотропии.
Δε<0.
Ориентация
полю
При
(рис. 3)
отсутствии
длинных
выгодна
с
осей
точки
электропроводности
молекул
зрения
жидкого
кристалла приложенное к ячейке поле не должно приводить к переориентации
молекул. Образование неустойчивости связано с анизотропией проводимости и может
быть объяснено следующим образом [2,3]. Предположим на время, что
𝜎⊥ = 0.
Представим, что в объеме жидкого кристалла с преимущественной ориентацией L
имеется область с другой, перпендикулярной ориентацией молекул. Тогда в области А
поле переместит заряды вдоль линии С-С, а вдоль линии В-В заряды не переместятся
10
(𝜎⊥ = 0). В областях В положительные заряды сместятся в направлении, показанном
стрелками, а на границах с областью А образуется избыточный заряд. В результате по
периметру области А возникнет несимметричное относительно направления поля
распределение зарядов. Суммарный дипольный момент Р области А взаимодействует
с полем Е , стремясь повернуть за собой всю область А.
Рисунок 4 – возникновение пространственного заряда вследствие анизотропии
электропроводности.
Рассмотрим теперь слой МББА в планарной ячейке, соответствующей нашей
экспериментальной геометрии. Электрическое поле приложено вдоль оси 𝑋3 (рис. 5а).
Пусть по случайной причине, например в результате флуктуаций, в слое возникла
деформация (рис. 5б). Тогда в области, где возникла флуктуация ориентации, появится
пространственный заряд. Этот заряд создает дополнительное электрическое поле
вдоль оси 𝑋1 . Теперь в рассматриваемой области на нематик будет действовать
суммарное поле 𝐸1 + 𝐸3 . Оно будет стремиться повернуть молекулы перпендикулярно
вектору напряженности поля (∆𝜀 < 0), т.е. появится момент, стремящийся повернуть
11
молекулы МББА в направлении увеличения возникшей флуктуации деформации (рис.
5в). В конечном итоге это вызовет циркуляционные потоки, которые и установят
окончательную ориентацию директора (рис. 5г). При наблюдении в поляризованном
свете эти домены будут видны в виде чередующихся светлых и тёмных полос.
Рисунок 5: механизм образования периодической структуры в нематическом жидком кристалле с ∆𝜀 < 0, ∆𝜎 > 0 (по
книге [2]).
Результаты исследования.
На рисунке 6 изображены фотографии образца МББА, полученные с помощью
установки 1. На ячейку подается электрическое поле, и его величина постепенно
возрастает. На первой фотографии показан образец с допороговым напряжением.
Затем при пороговом напряжении постепенно появляется система чередующихся
темных и светлых параллельных полос (фото 2 - домены Капустина-Вильямса). При
дальнейшем увеличении поля сначала появляются динамические искажения полос
(фото 3). На фотографии 4 изображено состояние ячейки при больших полях – быстрое
хаотическое движение.
12
1
2
3
4
Рисунок 6 – Вид образца при различной величине приложенного напряжения (горизонтальный размер каждого фото 480
мкм) 1: U = 5.690 V; 2: U = 5.742 V; 3: U = 7.867 V; 4: U = 50.0 V. Падающий на образец свет линейно поляризован в
вертикальном направлении.
Периодическая структура образца, показанная на рисунке 6, играет роль дифракционной
решетки, что позволяет исследовать ее с помощью установки 2. При прохождении луча лазера через
ячейку наблюдается картина максимумов и минимумов, изображенная на рисунке 7.
13
Рисунок 7 – картина дифракции лазерного луча, прошедшего через ячейку при поле несколько выше порогового U = 6
V.
С помощью формулы дифракционной решетки 𝑑𝑠𝑖𝑛(𝜑) = 𝑘𝜆 (рис.10) был
высчитан период структуры:
Рисунок 10 – к расчету периода структуры.
14
𝐵𝐶
20
1) Из ⊿𝐴𝐵𝐶: 𝜑 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( ) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( ) = 1,35°
𝐴𝐵
850
2) 𝑑 =
650∗10−9
sin⁡(1,35° )
= 27,5 ± 1⁡мкм
Таким образом, периодичность структуры составляет 27,5 ± 1⁡мкм, что в
пределах точности измерений совпадает с результатом прямых измерений
периода по фотографии.
На рисунке 8 представлена зависимость интенсивности первого максимума
дифракционной картины от напряжения, приложенного к ячейке. Максимум
интенсивности соответствует наиболее четким параллельным полосам.
1,2
1,0
Intensity
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
5,2
5,4
5,6
5,8
6,0
6,2
6,4
6,6
6,8
7,0
Voltage (V)
Рисунок 8 - Зависимость интенсивности дифракционного максимума от напряжения, приложенного к ячейке.
15
Заключение
Мною было начато изучение электрогидродинамической неустойчивости в
нематическом
жидком
кристалле
с
отрицательной
диэлектрической
анизотропией.
1) Исследовано образование доменов Капустина-Вильямса в жидком кристалле
МББА, определено пороговое поле образования доменов.
2) Исследована дифракция света на системе параллельных доменов и
зависимость интенсивности дифракции от поля.
В
следующем
учебном
году
планируется
продолжить
исследование
неустойчивостей в жидких кристаллах.
1) Будет изучаться поведение системы в хаотическом режиме при больших
полях, исследоваться корреляции в движениях жидкого кристалла.
2) Будут изучаться эффекты, вызванные электрическим полем в жидком
кристалле с положительной диэлектрической анизотропией.
16
Список литературы.
1. П.-Ж. де Жен, Физика жидких кристаллов, перевод с англ., издательство
«Мир», Москва, 1977 г.
2. А.С. Сонин, Введение в физику жидких кристаллов, издательство «Наука»,
главная редакция физико-математической литературы, Москва 1983 г.
3. Л.М. Блинов, электро- и магнитооптика жидких кристаллов, издательство
«Наука», главная редакция физико-математической литературы, Москва,
1978 г.
17