WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 4 Диэлектрические и оптические свойства жидкого кристалла 5-пропил-2-(п-цианфенил)-пиридин © Б.А. Беляев, Н.А. Дрокин, В.Ф. Шабанов Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, 660036 Красноярск, Россия E-mail: belyaev@iph.krasn.ru (Поступила в Редакцию 17 июля 2002 г.) Вблизи фазового перехода из нематического в изотропное состояние исследованы температурные зависимости диэлектрических и оптических характеристик жидкого кристалла 5-пропил-2-(п-цианфенил)-пиридин.

В диапазоне частот 1-1000 MHz для твердой кристаллической, нематической и изотропной фаз измерены диэлектрические спектры, а также проведены их дебаевские аппроксимации. По зависимости статической диэлектрической проницаемости от направления директора относительно электрического поля накачки установлено, что дипольный момент малекулы отклонен от ее продольной оси на угол 15.

Авторы выражают признательность Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку работы (грант № 00-03-32206).

Как известно, частотная дисперсия диэлектрической 5-пропил-2-(п-цианфенил)-пиридин в диапазоне частот проницаемости является одним из основных свойств f = 1-1000 MHz.

жидких кристаллов (ЖК). Изучение характера диспер- Измерение диэлектрических проницаемостей в обсии и особенно ее изменения под воздействием различ- ласти частот 1-30 MHz проводилось на стандартном ных факторов — важная задача не только прикладной, измерителе добротности фирмы „Tesla“ BM560 с исно и фундаментальной физики. Как правило, область пользованием измерительной ячейки в виде плоского дисперсии, обусловленная релаксацией молекул ЖК, конденсатора. В метровом и дециметровом диапазонах ограничивается частотами метрового диапазона длин длин волн применялись резонансные высокочувствиволн и в настоящее время для многих жидкокристал- тельные микрополосковые датчики кольцевого типа [6].

лических сред достаточно хорошо изучена. Одако су- Дискретная перестройка датчиков с малым шагом осуществует ряд ЖК, для которых высокочастотные диществлялась с помощью калиброванных индуктивностей электрические свойства почти не изучены, так как их и электрически управляемых емкостей (варакторов), частоты релаксации попадают в дециметровый диапазон подключаемых в разрыв полоскового проводника в обладлин волн, где диэлектрические измерения с требуемой сти пучности сверхвысокочастотного (СВЧ) магнитного точностью связаны с большими трудностями. К таким поля для первой моды колебаний микрополоскового материалам, в частности, относится нематический ЖК резонатора [7]. В пучности СВЧ-электрического поля ре5-пропил-2-(п-цианфенил)-пиридин (3CP), структурная зонатора располагалась емкостная измерительная ячейформула молекулы которого приведена на рис. 1. Иска, изготовленная в виде встречно-штыревой структуры следования оптических и диэлектрических свойств этого с зазором между штырями 150 µm. Образец ЖК толнематика представляют большой интерес в связи с тем, щиной 200 µm помещался непосредственно на встречночто его молекулы близки по структуре к молекулам штыревую структуру, ограниченную стеклянным борхорошо известных и подробно изученных ЖК из серии дюром, и защищался от загрязнения фторопластовой алкилцианобифенилов n-CB (n = 5-9) [1–5]. Отличие пленкой. Такие датчики позволяют снимать диэлектрисостоит лишь в том, что в жестком остове молекулы 3CP ческие спектры с высокой точностью, несмотря на в одном из двух бензольных колец атом углерода замесравнительно малый объем исследуемого образца.

щен азотом. Кроме того, молекула 3CP имеет низкое для Измерение действительной компоненты диэлектричеЖК число метиленовых секторов в алкильном „хвосте“ ской проницаемости осуществлялось стандартным (n = 3). Температура фазового перехода этого соединеспособом путем регистрации сдвига частоты датчика ния из твердого кристаллического состояния в жидкую с образцом относительно частоты пустого датчика, нематическую фазу t0 = 43.5C, а температура перехода а мнимая компонента диэлектрической проницаемоиз нематической фазы в неупорядоченную изотропную сти вычислялась по изменению нагруженной добротжидкость tc = 47.4C.

Целью данной работы является экспериментальное исследование температурных и частотных зависимостей диэлектрической проницаемости, определение коэффициентов оптического преломления, а также проведение численных аппроксимаций диэлектрических спектров, Рис. 1. Структурная формула жидкого кристалла 5-прополученных для различных фазовых состояний ЖК пил-2-(п-цианфенил)-пиридин.

Диэлектрические и оптические свойства жидкого кристалла 5-пропил-2-(п-цианфенил)-пиридин ности резонатора после размещения в нем образца ЖК.

Амплитудно-частотные характеристики микрополосковых датчиков регистрировались автоматическим измерителем комплексных коэффициентов передачи P4-37. При этом абсолютная точность определения диэлектрических характеристик была не хуже 0.05 и 0.1.

Требуемый угол наклона длинных осей молекул образца 3CР относительно направления СВЧ-электрического поля в измерительной ячейке устанавливался ориентацией постоянного магнитного поля H = 2500 Oe. Измерения проводились в термостате в температурном интервале от 0-50C. Точность стабилизации температуры была не хуже 0.1C.

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости образца Измерения температурных зависимостей оптиче3CP от угла направления директора молекул относительно ских показателей преломления для обыкновенного n0 высокочастотного поля накачки.

и необыкновенного ne лучей проводились на длине волны света = 0.589 µm с использованием рефрактометра ИРФ-454 Б при гомеотропной ориентации директора наблюдаются слабые зависимости измеренных констант в измерительной ячейке.

от температуры.

На рис. 2 представлены результаты измерений темНа рис. 3 показаны зависимости действительной компературных зависимостей показателей оптического препоненты диэлектрической проницаемости исследуемого ломления (темные символы) для обыкновенного n0 (1) образца в нематической фазе от угла между направи необыкновенного ne (2) лучей. Здесь же показаны лением ориентирующего молекулы ЖК постоянного зависимости от температуры действительных компонент магнитного поля H и направлением высокочастотного диэлектрических проницаемостей (светлые символы):

электрического поля. Эти измерения также проводились продольной (3) и поперечной (4), снятых соответвне области дисперсии образца на частоте накачки ственно при параллельной и перпендикулярной ориентаf = 1 MHz. Хорошо видно, что полученная зависимость ции директора молекул ЖК относительно электрическоасимметрична относительно вертикальной линии, прого поля накачки. Скорость нагрева исследуемого образца веденной через точку = 90. При этом значении задавалась 4C / h. Измерение диэлектрических конугла длинные оси молекул ориентированы ортогонально стант проводилось на частоте накачки f = 1MHz, где полю накачки. Наблюдаемая асимметрия () свидечастотная дисперсия еще практически не проявляется.

тельствует, очевидно, об отклонении дипольного моПоэтому полученные диэлектрические характеристики мента молекулы µ от ее продольной оси. Угол этого близки к соответствующим статическим значениям 0 отклонения несложно определить по величине смещеи 0. Как и следовало ожидать, при температуре ния минимума зависимости () относительно 90; он перехода ЖК из нематической в изотропную фазу составляет 15.

(tc - t = 0) оптические и диэлектрические константы Отметим, что достаточно большие значения статиизменяются скачком. При этом как в нематической фазе ческих диэлектрических проницаемостей образца 3CР (кривые 1-4), так и в изотропном состоянии (5, 6) ( 0 25, 0 14.4) и его диэлектрической анизотропии ( = 0 - 0 = 11.4) указывают на значительную величину дипольного момента молекул. Хорошо известно [1–4], что в ЖК группы алкилцианбифенилов n-CB, в которых дипольный момент µ = 4.3D обусловлен циангруппой -C N, типичные значения диэлектрических констант для всех гомологов (n = 5-9) не превышают 0 = 15-17, 0 = 6-8 и = 8-9 при температурах +1 < (tc - t) < +5C. Все это свидетельствует о том, что благодаря существованию пиридиновой группы в молекуле ЖК 3CP ее дипольный момент возрастает на 40-50% по сравнению с ЖК из серии алкилцианобифенилов.

На рис. 4 приведены частотные зависимости действительной компоненты диэлектрической проницаемости Рис. 2. Температурные зависимости оптических (темные симисследуемого образца 3CP, измеренные для различных волы) и диэлектрических (светлые символы) характеристик жидкого кристалла 3CP в области фазового перехода нематик– состояний мезофазы. Кривая 1 получена при t = 0C изотропная жидкость. и соответствует твердой кристаллической фазе; 2 и 3 изФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. 758 Б.А. Беляев, Н.А. Дрокин, В.Ф. Шабанов момента молекулы от ее продольной оси. Благодаря этому отклонению поперечная компонента µ вносит некоторую добавку в продольную диэлектрическую проницаемость, и наоборот. Численная аппроксимация результатов измерения ( f ), проведенная по формуле (1), показана кривой 1 на рис. 5. Кривая построена при следующих параметрах ЖК: 0 = 25.2, 1 = 5 · 10-9 s, 2 = 3.8 · 10-10 s, ne = 1.7, g1 = 0.78 и g2 = 0.22.

Видно, что предлагаемая аппроксимация дает достаточно хорошее совпадение расчетной дисперсии параллельной диэлектрической проницаемости с экспериментальными данными во всем исследованном диапазоне частот. Кривая 2 на рис. 5 соответствует дисперсионной Рис. 4. Частотные зависимости диэлектрической проницаемозависимости при g1 = 1 и g2 = 0, которая согласуется сти жидкого кристалла 3CP, снятые при различных температус экспериментом лишь на „низких“ частотах в самом нарах образца. t = 0 (1), 45 (2, 3) и 49C (4).

чале области дисперсии. Кривая 3 соответствует дисперсионной зависимости при g1 = 0 и g2 = 0.22, которая, напротив, достаточно хорошо согласуется с эксперименмерены в нематической фазе ЖК при t = 45Cи показытом только на „высоких“ частотах в конце области вают соответственно дисперсию и, а кривая 4 снядисперсии. И наконец, кривая 4 отвечает значению n2, e та при t = 49C, когда образец находится в изотропном к которому приближается продольная диэлектрическая состоянии. Как видно, в твердой фазе дисперсия практипроницаемость исследуемого ЖК при f.

чески отсутствует, а величина диэлектрической прониСледует отметить, что времена 1 и 2 характерицаемости s = 2.63 ± 0.02. Интересно отметить, что это зуют дипольную релаксацию при вращении молекулы значение проницаемости хорошо совпадает с величиной вокруг ее короткой и длинной осей. Отношение весовых квадрата коэффициента оптического преломления для множителей g2/g1 отвечает тангенсу угла отклонения жидкой „высокотемпературной“ изотропной фазы исдипольного момента от длинной оси молекулы, который следуемого ЖК n2 = 2.624. Это свидетельствует о том, is оказывается равным = 15.7. Как видно, это значение что в твердой кристаллической фазе ориентационный хорошо совпадает с величиной угла 15, найденной вклад вращения дипольного момента в диэлектрическую из угловых измерений диэлектрической проницаемости проницаемость отсутствует, а наблюдаемая величина s (рис. 3).

обусловлена малоинерционными процессами смещения Аппроксимация одним и даже двумя релаксационными внутримолекулярных электрических зарядов.

дебаевскими процессами поперечной диэлектрической Для описания частотной дисперсии продольной (папроницаемости ЖК, для которых частота релаксации раллельной) ( f ) и поперечной (перпендикулярной) при перпендикулярной накачке выше, чем при парал( f ) диэлектрической проницаемости образца 3CP, налельной, как правило, показывает недостаточно хорошее ходящегося в нематической фазе, нами использовались совпадение с экспериментом. Наблюдаемое увеличение различные подходы. При аппроксимации параллельной компоненты принимался во внимание тот факт, что дипольный момент молекулы отклонен на угол от ее длинной оси. Поэтому в соответствии со сложившимися представлениями о механизмах диэлектрической поляризации ЖК [1–4,8] использовалось описание дисперсии с помощью суммы двух дебаевских процессов, отличающихся временами релаксации [9], ( 0 - n2)g1 ( 0 - n2)ge e ( f ) - n2 = +, (1) e 1 + 2 2 1 + 2 1 где ne — показатель оптического преломления для необыкновенного луча, 0 — значение статической диэлектрической проницаемости, = 2 f, 1 и 2 — времена релаксации двух процессов, g1 и g2 — соответствующие весовые множители процессов, сумма Рис. 5. Результаты численной аппроксимации частотной закоторых g1 + g2 = 1.

висимости продольной диэлектрической проницаемости сумСуществование двух релаксационных процессов в ис- мой двух дебаевских процессов с различными временами следуемом ЖК обусловлено отклонением дипольного релаксации.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Диэлектрические и оптические свойства жидкого кристалла 5-пропил-2-(п-цианфенил)-пиридин принимает вид ( f ) - n2 = 0 - n0 kT 1 + 202 exp(2u0/kT) 1 - ln. (5) 2u0 1 + Результаты численной аппроксимации, проведенной в соответствии с формулой (5), показаны на рис. кривой 1, которая практически совпадает с экспериментальными точками. Здесь же кривой 3 показан уровень n2, к которому приближается поперечная диэлектрическая проницаемость исследуемого ЖК при f. Кривая 1 построена при следующих параметрах:

0 = 14.4, T = 318 K, u0 = 1.52 · 10-14 erg, n0 = 1.55, Рис. 6. Аппроксимация частотной зависимости попереч- 0 = 1.85 · 10-10 s и 1 = 2.39 · 10-9 s. Отметим, что ной диэлектрической проницаемости дебаевским процессом относительная ширина интервала непрерывного распрес непрерывным распределением времен релаксации.

деления времен релаксации в данном случае оказывается сравнительно небольшой (1 - 0)/0 10. Однако полученные данные следует рассматривать как предварительные, так как частотный диапазон измерений в настоящей расхождения с ростом частоты измеренного спектра работе был недостаточно широк. Для уточнения пара( f ) (точки на рис. 6) и дебаевской зависимости метров аппроксимации необходимы экспериментальные с одним временем релаксации (кривая 2) позволяет предположить, что в ЖК на высоких частотах прояв- данные, охватывающие всю область дисперсии. Кроме ляются мелкомасштабные колебания подвижных алкиль- того, как показывают эксперименты, в высокочастотной ных групп молекул. В таких случаях времена диэлектри- области дисперсии на диэлектрических спектрах ЖК ческой релаксации удобно представлять в виде их непре- могут наблюдаться и резонансные особенности [11], которые также необходимо принимать во внимание при рывного распределения в определенном интервале. При аппроксимации ( f ) [12]. Необходимо заметить, что для этом диэлектрический спектр описывается следующим кривой 2 на рис. 6, построенной по уравнению Дебая выражением [9]:

с одним временем релаксации, равным D = 9 · 10-10 s, G( ) это значение D попадает почти в середину интервала ( f ) - n2 = 0 - n2 d, (2) 0 (1 - 0).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.