向列相液晶挠曲电效应和挠曲电系数的研究

发布时间：2019-08-03 08:42

【摘要】：挠曲电效应是由于液晶分子发生展曲或弯曲形变引起的液晶极化,反过来这种极化与电场相互作用亦会对液晶分子的形变产生影响。自从1969年R.B.Meyer首次对挠曲电效应给出解释模型以来,这种效应一直备受关注,对这一效应的研究主要集中在探索液晶材料的挠曲电光特性、挠曲电效应对液晶显示的影响、应用各种方法测量液晶材料的挠曲电系数以及利用挠曲电效应开拓液晶材料新的应用领域等方面。2006年P.Kumar等人在具有弱锚定边界的平行排列液晶盒上施加直流电场,液晶内反转壁中±1缺陷周围指向矢的取向发生了变化,实验现象体现了挠曲电效应的影响;挠曲电效应对液晶很多性质都能产生影响,例如指向矢分布情况、阈值电压的大小、电光曲线、视角范围等,其程度取决于液晶材料挠曲电系数的大小,所以测量液晶材料挠曲电系数的值是非常必要的。基于以上两个方面,本文研究向列相液晶的挠曲电效应和挠曲电系数,分为以下四个部分:第一部分:对P.Kumar等人的实验现象:外加直流电场作用下,弱锚定平行排列液晶盒缺陷处液晶指向矢的变化所体现出的挠曲电效应给出理论解释。当对弱锚定平行排列向列相液晶盒施加垂直基板的直流电场时,在反转壁中的±1缺陷会发生旋转。根据液晶的弹性理论,分别推导了外加电场作用下考虑挠曲电效应后+1缺陷和-1缺陷处液晶分子的总自由能密度以及表征指向矢的极角和方位角变化角度所满足的平衡态方程,并进行了相应的数值模拟。在挠曲电效应的作用下,理论结果给出的方位角的变化情况与P.Kumar等人的实验得到的在±1缺陷处的实验现象是一致的。第二部分:基于液晶的弹性理论在理论上推导了外加电场作用下考虑挠曲电效应后混合排列向列相(HAN)和混合排列向列相-共面转换(HAN-IPS)液晶盒在系统平衡态时表征液晶指向矢分布情况的倾角θ和方位角φ的平衡态方程,得出在外加电场作用下液晶的挠曲电效应对两种液晶盒指向矢分布的影响。并基于两种液晶盒指向矢分布的变化情况,通过多层光学理论得出了挠曲电效应对液晶盒反射光四种信号Rpp,Rss,Rsp和Rps随内角(入射到液晶层角度)变化曲线(也就是液晶光波导模式,简称液晶导模)的影响。给出以下结论:HAN液晶盒中,挠曲电系数e1+e3取不同值时反射光的偏转保存信号Rpp会发生明显而有规律的的移动;HAN-IPS液晶盒中,挠曲电系数e1+e3取确定值后挠曲电系数e1-e3取不同值反射光的偏转保存信号Rpp和Rss会发生明显而有规律的移动。第三部分:基于液晶光导波技术对负性向列相液晶材料MS-N01300-000的挠曲电系数进行了实验测量。通过测量不同入射角的线偏振光在灌有液晶材料MS-N01300-000的HAN以及HAN-IPS液晶盒的棱镜耦合波导中传播后的反射光,得到外加频率为1kHz的交流电和直流电(两种电压的值相同)情况下的反射信号Rpp(针对HAN液晶盒)和Rss(针对HAN-IPS液晶盒)随入射内角变化曲线,并与根据液晶弹性理论和多层光学理论得到相应电压下不同挠曲电系数的反射信号Rpp和Rss随内角的变化曲线相比较,由曲线移动距离和移动方向得出MS-N01300-000液晶材料挠曲电系数e1+e3和e1-e3的值分别为2.5×10-11C/m和5.5×10-11C/m,并对这两个值进行了讨论。第四部分:通过挠曲电畴临界电压方法来确定BCN液晶材料7P-CF2O-ODBP挠曲电系数|e1-e3|的范围约为4.8×10-11C/m~8.0×10-11C/m,并对这个值进行了讨论。
【图文】：

第 1 章 绪论5图1.2 锲形和香蕉形液晶分子指向矢形变引起的极化如果液晶是在外电场作用下发生变形，，挠曲电效应引起的自由能密度可以表示为1 3121[ ]2flexfe e ( ) ( ) P En n n n E(1-5)在外加电场作用下，需要考虑挠曲电效应时，液晶的自由能密度包含液晶的弹性项、介电项和挠曲电项，即totalelasdielflexf f f f(1-6)

图 2.1 液晶中几种典型强度的向错如果液晶盒的取向层经过定向摩擦，液晶指向矢就会沿取向层表面获得沿面排列的取向，这种情况下会出现另一种黑刷条纹，并呈现出成对且近乎平行的纹影织构。在正交偏振片下观察，可以发现有一条清楚的黑线将各个向错连接起来，这样的织构是由于液晶中的反转壁引起的。反转壁垂直于液晶盒基板的平面，向错会在反转壁中出现。基于液晶材料的特性，其内的缺陷在很多物理过程中具有重要作用，比如液晶的光学、微纳米加工、流体动力学以及材料自组装等领域[70]，因此缺陷是液晶研究中的一个重要方向。2.2 反转壁中±1 缺陷的实验结果2006 年 P. Kumar 等人在弱锚定边界条件的平行排列液晶盒上施加直流电场，液晶盒反转壁中+1 和 1 缺陷周围指向矢的取向发生了变化[33]。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O753.2

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本文编号：2522457