Linejnyie_i_tochechnyie_defektyi_v_smekticheskih_nanoplyo

Московский государственный университет
им. М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Лаборатория спектроскопии дефектных структур
ИФТТ РАН
Линейные и точечные дефекты в
смектических наноплёнках
Курсовая работа по физике жидких кристаллов
студента второго курса 201 группы
Виталия Юрьевича Зайцева
Научный руководитель
к.ф.-м.н., с.н.с. П. В. Долганов
Черноголовка 2014
Содержание
Введение ………………………………………………………….………..……...
3
1. Литературный обзор …………………………………….…………………….
4
2. Экспериментальная часть …………………………………………………......
5
3. Обсуждение результатов ……………………………………………………...
7
Заключение ……………………………………………………………………….
10
Список литературы ………………………………………………………………
11
2
Введение
Жидкие кристаллы (ЖК, мезоморфные фазы, или мезофазы) – промежуточные
(между жидким и твёрдым) состояния вещества, которые обладают одновременно как
свойствами жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Жидкие кристаллы
бывают термотропные (переходят в мезофазу при изменении температуры) и лиотропные
(переходят в мезофазу при изменении концентрации вещества в растворителе). В свою
очередь термотропные делятся на нематические ЖК (нематики), холестерические ЖК
(холестерики) и смектические ЖК (смектики). Если в одном и том же веществе
существует несколько жидкокристаллических фаз, то их последовательность образования
при повышении температуры будет следующая: Кристалл – Смектик – Холестерик
(Нематик) – Изотропная жидкость [1].
В данной работе предметом изучения были смектические жидкие кристаллы, а
точнее, смектики А (рисунок 1). Смектики – такие жидкие кристаллы, которые имеют
слоистую структуру с чётко определённым расстоянием между слоями. Слои могут
перемещаться относительно друг друга. Благодаря своей слоистой структуре, смектики
могут образовывать свободно подвешенные плёнки – плёнки, толщина которых
составляет несколько молекулярных слоёв. Площадь плёнок при этом может составлять
порядка квадратных сантиметров. Смектики А – такие ЖК, в которых длинные оси
молекул перпендикулярны слоям (в отличие от смектиков С, у которых длинные оси
молекул расположены под углом к слоям).
Рисунок 1. Расположение молекул в смектическом жидком кристалле А [2].
3
Литературный обзор
Толщину смектической плёнки (число смектических слоёв в ней) можно
определить, измеряя интенсивность отражённого от неё света. Интенсивность отражения
нормально падающего света от плёнки выражается формулой [3]
I = I0
2πnNd
)
λ
2πnNd
2
2
2
2
4n +(n −1) ∗sin (
)
λ
(n2 −1)2 ∗sin2 (
,
(1)
где I0 – интенсивность нормально падающего света, N – число молекулярных слоёв в
плёнке, d – толщина смектического слоя, λ – длина волны света в вакууме, n – показатель
преломления вещества, из которого состоит образец. Для тонких плёнок, где N ≤ 12,
данное соотношение можно упростить:
πNd(n2 −1)
I ≈ I0 (
λ
2
)
(2)
Из приближённой формулы (2) для тонких плёнок видно, что интенсивность
отражения пропорциональна квадрату числа молекулярных слоёв. Таким образом,
приготавливая плёнки различных толщин и сравнивая отношение интенсивностей
отражения света при фиксированной длине волны от них с отношением квадрата целых
чисел, можно определить число молекулярных слоёв в образце.
Целью же работы является изучение и освоение метода (способа) приготовления
тонких смектических плёнок при помощи ячейки с двигающимися торцовыми сторонами
и определение количества смектических слоёв (толщина плёнки) в приготовленном
образце при помощи измерения спектров отражения плёнок, графического отображения
экспериментальных
данных
и
сопоставления
теоретическими формулами (1) и (2).
4
экспериментальных
данных
с
Экспериментальная часть
В данной работе перед тем, как приступить к исследованию тонких смектических
плёнок, необходимо было для начала их приготовить. В экспериментах использовалось
вещество,
обладающее
при
комнатной
температуре
смектической
А
фазой.
Непосредственно приготовление тонких плёнок заключалось в нанесении на ножи
ячейки, находящиеся в сдвинутом состоянии (рисунок 2), смектика А. Данная ячейка
устроена так, что её ножи могли свободного двигаться в продольном направлении. В
связи с этим, после нанесения самого смектического ЖК на края ножей, последние
приводились в движение, и между ними натягивалась плёнка. Для избежания разрыва
плёнки, движение ножей производится с особой осторожностью.
Рисунок 2. Ячейка, использовавшаяся для приготовления смектических плёнок. Две торцовые стороны
ячеек могли приводиться в движение. (Вид сверху)
Дальнейшее
исследование
тонких
плёнок
проводилось
при
помощи
экспериментальной установки, показанной на рисунке 3. После нанесения смектика А на
ячейку и удачного получения плёнки (пока что неизвестной толщины), образец
устанавливался на столик оптического микроскопа, где продолжалось его исследование.
К микроскопу подсоединялся спектрометр, который, в свою очередь, был связан с
компьютером, на котором отображался снятый спектр – зависимость интенсивности
отражения света от плёнок от длины волны нормально падающего света.
5
Рисунок 3. Схема экспериментальной установки, использовавшейся для исследования свободно
подвешенных смектических плёнок. Обозначения: 1 – микроскоп, 2 – спектрометр, 3 – ПК, 4 – образец
(тонкая смектическая плёнка), 5 – световод.
Повторив несколько раз процедуру приготовления, мы получили 8 различных по
толщине плёнок. Отличие в способе их получения в моём эксперименте – различная
скорость растягивания ножей ячейки, причём, как уже было отмечено, нельзя тянуть
торцы ячейки с очень большой скоростью – плёнка может лопнуть. Различие по толщине
или количеству молекулярных слоёв видно из рисунка 4, на котором отображена
зависимость интенсивности отраженного света от длины волны для различных образцов,
полученная при помощи спектрометра.
6
Результаты и их обсуждение
120
110
N=11
100
I, arbitrary units
90
80
N=9
70
60
50
40
N=7
N=6
30
20
10
0
425
N=5
N=4
N=3
N=2
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
nm
Рисунок 4. Интенсивность отражения света от свободно подвешенных плёнок смектического жидкого
кристалла различной толщины. N – число молекулярных слоёв плёнки.
Следующей задачей является определение числа слоёв, соответствующих каждому
снятому спектру. Согласно формуле (2), интенсивность отражения для тонких плёнок
пропорциональна квадрату числа слоёв. Чтобы сопоставить измеренные спектры числу
смектических слоёв, построим для произвольной фиксированной длины волны графики
зависимости интенсивности отражения света от квадрата целых чисел. Для более точного
результата, будем использовать первые 6 точек, поскольку формула (2) должна описывать
спектр тем лучше, чем тоньше плёнка и, следовательно, отличие от точной формулы (1)
будет меньше, что позволяет применить эту формулу.
Построим несколько таких графических отображений и сравним их.
7
35
30
I, arbitrary units
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
N
25
30
35
40
2
Рисунок 5. График зависимости интенсивности отражённого света от тонких плёнок от квадрата целых
чисел при фиксированной длине волны (500 нм) в предположении, что наиболее тонкая плёнка имеет
толщину 1 смектический слой. Линия – подгонка зависимостью I = AN2
35
30
I, arbitrary units
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
N
35
40
45
50
55
2
Рисунок 6. График зависимости интенсивности отражённого света от тонких плёнок от квадрата целых
чисел при фиксированной длине волны (500 нм) в предположении, что наиболее тонкая плёнка имеет
толщину 2 смектических слоя. Линия – подгонка зависимостью I = AN2
8
35
30
I, arbitrary units
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
N
40
45
50
55
60
65
70
2
Рисунок 7. График зависимости интенсивности отражённого света от тонких плёнок от квадрата целых
чисел при фиксированной длине волны (500 нм) в предположении, что наиболее тонкая плёнка имеет
толщину 3 смектических слоя. Линия – подгонка зависимостью I = AN2
На рисунке 5 построен график, отвечающий предположению, что образец с
наименьшей толщиной имеет 1 смектический слой, на рисунке 6 – 2 смектических слоя,
на рисунке 7 – 3 таких слоя. Видно, что подгонка, представленная на рисунке 6, наиболее
хорошо соответствует положению точек с точки зрения теории, что интенсивность
отражённого от плёнки нормально падающего света прямо пропорциональна квадрату
числа молекулярных слоёв. Таким образом, число молекулярных слоёв в плёнках,
представленных на рисунке 4, равно: 2, 3, 4, 5, 6, 7. Следующие 2 спектра, по-видимому,
соответствуют плёнкам толщиной 9 и 11 смектических слоёв.
Тот факт, что полученная зависимость I от N2 пропорциональная, полностью
согласуется с теоретической моделью (формула 2). Таким образом, использованная
методика позволяет с уверенностью определять число смектических слоёв в тонких
плёнках.
9
Заключение
За прошедшее время мною была проделана следующая работа:
1.
Изучена литература по жидким кристаллам, их классификации, основным
свойствам и применению.
2.
Освоен метод получения тонких свободно подвешенных смектических плёнок
(наноплёнок) при помощи ячейки с подвижными торцевыми частями.
3.
Освоена методика измерения спектров отражения тонких плёнок.
4.
При помощи этой методики было определено число смектических слоёв
плёнки.
5.
В ходе эксперимента мне удалось получить 8 различных по толщине тонких
плёнок: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9 и 11 смектических слоёв (толщина одного
смектического слоя порядка 3 нанометров).
В дальнейшем изучение свободно подвешенных смектических плёнок будет
продолжено, будут изучаться особенности упорядочения в плёнках, линейные и точечные
топологические дефекты.
10
Список литературы
1. П.
де Жен
«Физика жидких кристаллов», перевод с английского
Москва «Мир» 1977, 400 стр.
2. dssp.petrsu.ru/p/tutorial/fopi/1.html
3. М. Борн, Э. Вольф «Основы оптики», перевод с английского Москва,
издательство «Наука», 1970, стр. 355
11