КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-72-10036

НазваниеИсследование ориентационных структур в слоях холестерика с коническим поверхностным сцеплением

РуководительКрахалев Михаил Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые словаЖидкий кристалл, межфазная граница, ориентационная структура, граничные условия, холестерик, оптическая текстура, поверхностное сцепление, поляризационная микроскопия, электрооптика

Код ГРНТИ29.17.25


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Будут исследованы ориентационные структуры слоев холестериков, формирующиеся при конических граничных условиях, и их трансформация под действием электрического поля. Актуальность исследований обусловлена необходимостью создания хиральных жидкокристаллических материалов с дополнительными степенями свободы ориентации молекул на межфазной границе, позволяющими сформировать новые конфигурации с уникальными структурными и оптическими характеристиками. Одним из способов создания таких систем является задание конических условий сцепления, при которых на межфазной границе директор ориентирован под определенным углом (отличающимся от 0° и 90°) к нормали к поверхности, при этом проекция директора на межфазную границу может иметь любую ориентацию в зависимости от ориентационной структуры и внешних воздействий. На сегодняшний день ориентационные структуры слоев холестерика с такими граничными условиями практически не изучены. В ходе выполнения проекта будут рассмотрены три типа жидкокристаллических ячеек: 1) на одной подложке заданы однородные тангенциальные граничные условия, на второй подложке – коническое сцепление; 2) на обеих подложках заданы конические условия сцепления; 3) на одной подложке сформированы гомеотропные граничные условия, на второй подложке – коническое сцепление. Формирующиеся структуры и их трансформация будут исследованы экспериментально методами поляризационной микроскопии. Кроме того, будет выполнен численный расчет структур в рамах теории эластического континуума Франка, учитывающей энергии искажения поля директора, взаимодействия ЖК с поверхностью и энергию дефектов. Будут проведены измерения оптических характеристик излучения, прошедшего через исследуемые ориентационные структуры.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты: – Для различных соотношений толщины слоя холестерика и шага спирали d/p охарактеризованы и систематизированы формирующиеся ориентационные структуры для различных граничных условий на одной и второй подложках: тангенциальные-конические, конические-конические, гомеотропные-конические; – Исследовано ориентирующее влияние электрического поля на формирующиеся ориентационные структуры; – Определены оптические и электрооптические характеристики исследуемых жидкокристаллических ячеек. Научная значимость определяется тем, что будут идентифицированы новые ориентационные структуры, изучено управление такими структурами и их оптическими параметрами с использованием электрического поля. Полученные данные будут оригинальными и соответствовать мировому уровню исследования в данном направлении материаловедения. Результаты проекта послужат фундаментальной основой для разработки новых оптоэлектронных устройств (электрически управляемые поляризаторы, фазовые дифракционные решетки, оптические модуляторы и др.).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Были исследованы жидкокристаллические ячейки с тангенциально-коническими граничными условиями. ЖК ячейки состояли из двух стеклянных подложек с прозрачными ITO электродами на внутренних сторонах и слоя нематического или холестерического ЖК между ними. Для формирования в ячейках тангенциально-конических граничных условий на одну подложку наносилась пленка поливинилового спирта (ПВС), на вторую – пленка полиизобутил метакрилата (ПиБМА). Исследовались ячейки холестерика с соотношением толщины слоя ЖК к шагу холестерической спирали d/p в диапазоне от 0.14 до 2.92. Методами поляризационной микроскопии и численного моделирования исследованы формирующиеся ориентационные структуры ЖК ячейки нематика и холестерика с соотношением d/p в диапазоне от 0.14 до 2.92. В нематических ячейках формируются доменные структуры с различным углом наклона директора. Данный эффект проявляется и в ячейках с d/p = 0.14. Однородная монодоменная закрученная структура формируется при d/p = 0.28. При d/p = 0.44 формируется структура с линиями дефектов, которые могут образовывать вытянутые петли. При d/p ≥ 0.60 в ячейках толщиной 6.5 мкм формируется периодическая структура с периодом, равным примерно 2p. Обнаруженно, что дополнительным параметром, определяющим формирующуюся структуру, является толщина слоя ЖК (шаг спирали холестерика). Методом вращающегося анализатора исследована топология распределения поля директора на подложке с коническим сцеплением. Исследовано влияние электрического поля на формирующиеся ориентационные структуры. Обнаружено, что под действием электрического поля, в холестерике с тангенциально-коническими граничными условиями происходит изменение азимутального угла закрутки директора на подложке с коническим сцеплением. Для ориентационных структур с линиями дефектов, приложение электрического поля приводит к изменению их длинны, как в положительную, так и отрицательную сторону, в зависимости от величины приложенного напряжения. Для образца с d/p = 0.44 измерена зависимость скорости изменения длинны линий в зависимости от приложенного поля. Показано, что в случае периодических структур (d/p ≥ 0.44), не только скорость, но и направление роста линий дефектов зависит от величины приложенного электрического напряжения. Так, для ячеек с толщиной ЖК слоя 6.3 мкм и d/p = 0.60 в диапазоне напряжений от 0 до 1.3 В происходит увеличение длинны линий (рост линий). Для этого диапазона напряжений, угол между направлением, вдоль которого происходит рост линий дефектов, и направлением натирки пленки ПВС изменяется в диапазоне от 80 до 0 градусов. После выключения поля, при котором происходил рост линий, их ориентация практически не изменяется. Были теоретически рассчитаны и измерены изменения поляризации света, прошедшего через ЖК ячейки с бездефектной закрученной структурой холестерика, обусловленные переориентацией директора под действием электрического поля. Исследованы характеристики света, дифрагированного на фазовой дифракционной решетки, представляющей собой периодическую структуру, формирующуюся при тангенциально-конических граничных условиях с d/p ≥ 0.64 (d = 6.7 мкм). Наблюдаемая дифракционная картина симметрична относительно нулевого максимума, экспериментально измерена поляризация света первых 8 дифракционных максимумов, показано, что максимумы первого порядка линейно поляризованы. Была получена периодическая структура путем увеличения длины линий дефектов при напряжении 1.05 В. В этом случае дифракционная решетка оказывается ориентирована под другим углом по отношению к натирке, по сравнению с исходной решеткой. Для такой решетки была получена зависимость интенсивности дифракционных максимумов от величины приложенного напряжения.

 

Публикации

1. Викбаев Р.Г., Крахалев М.Н., Тимофеев И.В., Сутормин В.С., Зырянов В.Я. Simulated near field and diffraction patterns in the cholesteric layers with conical surface anchoring Abstracts of 4th Asian Conference on Liquid Crystals (ACLC 2019). Shenzhen, China, 2019., P. 102 (год публикации - 2019).

2. Гардымова А.П., Сутормин В.С., Крахалев М.Н., Зырянов В.Я. Orientational structures of cholesteric droplets with conical boundary conditions Abstracts of 4th Asian Conference on Liquid Crystals (ACLC 2019). Shenzhen, China, 2019., P. 113 (год публикации - 2019).

3. Крахалев М.Н., Бикбаев Р.Г., Сутормин В.С., Тимофеев И.В., Зырянов В.Я. Nematic and cholesteric liquid crystal structures in cells with tangential-conical boundary conditions Crystals, - (год публикации - 2019).

4. Крахалев М.Н., Рудяк В.Ю., Гардымова А.П., Зырянов В.Я. Toroidal Configuration of a Cholesteric Liquid Crystal in Droplets with Homeotropic Anchoring JETP Letters, Vol. 109, No.7, pp.478-481 (год публикации - 2019).

5. Сутормин В.С., Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Рудяк В.Ю., Зырянов В.Я. Orientational structures of cholesteric in the cell with tangential-conical boundary conditions Abstracts of 4th Asian Conference on Liquid Crystals (ACLC 2019). Shenzhen, China, 2019., P. 112 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В отчетном периоде были проведены исследования ХЖК ячеек двух типов: с тангенциально-коническими граничными условиями и с коническими условиями сцепления на обеих подложках. Для проведения исследований ХЖК ячеек с тангенциально-коническими граничными условиями был изготовлен ряд образцов, имеющих различную толщину слоя холестерика d и соотношение d/p > 0.44 (p – шаг холестерической спирали). Были изучены формирующиеся ориентационные структуры и их отклик на приложенное электрическое поле. Показано, что в ячейках, в зависимости от толщины слоя ЖК, реализуются дефекты в виде петель или линий. Методом вращающегося анализатора была определена ориентация директора и показано, что вблизи дефектов существуют области с недокрученным и перекрученным холестериком, по сравнению с равновесной закруткой ЖК вдали от дефекта. Приложенное электрическое поле вызывает трансформацию дефектов, происходящую по двум различным сценариям. В первом сценарии происходит стягивание петель или уменьшение длины линий дефектов вплоть до полного исчезновения. Во втором сценарии трансформация линии дефекта сопровождается формированием дефекта нового типа. Определена ориентация директора вблизи данного дефекта. Следует отметить, что второй сценарий изменений наблюдался в исследуемых ЖК ячейках впервые. При определенных соотношения d/p в ЖК ячейках реализуется периодическая структура из линейных дефектов, содержащая U-образные дефекты, нарушающие периодичность. Был исследован механизм формирования U-образных дефектов. На основании этих данных был предложен подход для формирования однородных периодических структур с помощью различной площади электродов в ЖК ячейке. Для изготовленных ХЖК ячеек с тангенциально-коническими граничными условиями были также определены поляризационные характеристики (азимут поляризации и угол эллиптичности) прошедшего излучения через слой холестерика. Проведен численный расчет поляризационных характеристик прошедшего излучения и их зависимости от величины электрического поля, который находится в согласии с экспериментальными данными. Показано, что холестерик с тангенциально-коническими граничными условиями может быть использован для создания ахроматических электроуправляемых вращателей линейной поляризации света. Для проведения исследований ХЖК ячейки с коническими условиями сцепления на обеих подложках был изготовлен клинообразный образец, в котором соотношение d/p менялось от 0.33 до 1.0. Были изучены формирующиеся ориентационные структуры, определены и систематизированы основные характерные элементы структур, а также исследован их отклик на приложенное электрическое поле. В образце наблюдаются линии дефектов, представляющие собой участки, где происходит нарушение конических граничных условий к тангенциальным на обеих подложках. Линии дефектов могут разворачиваться на 180°, и вблизи разворота возможно формирование буджумов с силой +1. Если линия дефекта образует петлю, то во внутренней области петли формируется буджум с силой +1, а с внешней стороны – буджум с силой -1. Приложение электрического поля вызывает стягивание петель и распрямление линейных дефектов, что, в конечном счете, может привести к исчезновению дефектов. После выключения электрического поля линии дефектов восстанавливаются для соотношения d/p > 0.9. При этом в закрученной структуре появляются дополнительные искажения поля директора.

 

Публикации

1. Бикбаев Р.Г., Крахалев М.Н., Тимофеев И.В., Сутормин В.С., Зырянов В.Я. Difiraction Pattern of the Cholesteric Layer with Tangential-conical Boundary Conditions Abstract book of PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium, Xiamen, China, 17-20 December, 2019, P. 1913 (год публикации - 2019).

2. Гардымова А.П., Крахалев М.Н., Зырянов В.Я. Optical Textures and Orientational Structures in Cholesteric Droplets with Conical Boundary Conditions Molecules, Vol. 25, Issue 7, P. 1740 (год публикации - 2020).

3. Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Сутормин В.С., Бикбаев Р.Г., Тимофеев И.В., Зырянов В.Я. Electrically induced transformations of defects in cholesteric layer with tangential-conical boundary conditions Scientific Reports, Vol. 10, P. 4907 (год публикации - 2020).

4. Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Сутормин В.С., Бикбаев Р.Г., Тимофеев И.В., Зырянов В.Я. Director configurations in cholesteric layer with tangential-conical boundary conditions Abstracts of 15th European Conference on Liquid Crystals (ECLC-2019), PC-06 (год публикации - 2019).

5. Сутормин В.С., Крахалев М.Н., Тимофеев И.В., Бикбаев Р.Г., Прищепа О.О., Зырянов В.Я. Polarization characteristics of light passed through a cholesteric layer with tangential-conical boundary conditions Book of abstracts of International conference “EuroDisplay 2019”, P. 20 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Были изготовлены и исследованы жидкокристаллические (ЖК) ячейки с тангенциально-коническими граничными условиями. ЖК ячейки состояли из двух стеклянных подложек с прозрачными ITO электродами на внутренних сторонах и слоя холестерического ЖК между ними. Для формирования в ячейках тангенциально-конических граничных условий на одну подложку наносилась пленка поливинилового спирта (ПВС), на вторую – пленка полиизобутил метакрилата (ПиБМА). Методами поляризационной микроскопии исследовались ячейки холестерика с соотношением толщины слоя ЖК к шагу холестерической спирали d/p в диапазоне от 0.6 до 1.12. В каждом образце было 3 прямоугольных электрода с различной ориентацией их сторон по отношению к направлению натирки пленки ПВС. Было показано, что направление формирующейся периодической структуры зависит как от величины напряжения, при котором происходит рост линейных дефектов, так и угла между направлением натирки и границей электрода, от которой происходит рост линий. Для исследуемых образцов получены зависимости ориентации периодической структуры от приложенного напряжения и ориентации края электрода. Диапазон напряжения, при котором происходит рост линий увеличивается с ростом отношения d/p и слабо зависит от толщины образца d. Период формирующейся структуры Λ не зависит от ее ориентации по отношению к направлению натирки, при этом отношение /p увеличивается с ростом толщины образца d. Для образца с толщиной d=5.0 мкм и d/p=0.60 измерены интенсивности дифракционных максимумов в зависимости от приложенного напряжения и напряжения, при котором происходит формирование периодической структуры. Показано, что при приложении напряжения происходит уменьшение интенсивности максимума первого порядка, в то время как интенсивность остальных максимумов возрастает с ростом поля. Такая картина характерна для периодической структуры, сформированной при различных напряжениях. В узком интервале напряжений в процессе релаксации формируется электрически индуцированная периодическая структура, характеризующаяся азимутальным изменением угла директора на подложке с конически сцеплением в диапазоне примерно 90°. Ориентация периодической структуры совпадает с направлением роста линейных дефектов, происходящих от параллельных направлению натирки краев электродов. В образце с d=4.8 мкм и d/p=1.12 мкм в интервале напряжений 0.7≤U≤1.2 В, при которых происходит формирование структуры, происходит поперечная деформация периодической структуры. Угол деформации линий дефектов увеличивается с ростом напряжения вплоть до значения примерно 80° при U=1.2 В. Период деформации структуры при этом слабо зависит от величины поля и равен примерно 13 мкм, а максимальный размах поперечных деформаций, наблюдаемый при U=1.2 В, равен периоду недеформированной структуры Λ. Данная деформированная структура чувствительна к изменению напряжения и исчезает при U<0.7 В и U>1.2 В. После повторного изменения напряжения к значениям 0.7≤U≤1.2 В обратная деформация линий дефектов не происходит. В ячейках с коническими условиями сцепления обе подложки были покрыты пленкой ПиБМА. В качестве ХЖК был использован ЛН-396 допированный холестерилацетатом. В исследованиях использовалось две различные конструкции ячейки. В ячейках, в которых поле прикладывалось перпендикулярно слою ЖК, обе подложки были с прозрачным ITO электродом на внутренней стороне. В случае приложения поля в плоскости слоя ЖК, пара ITO электродов располагалась на одной подложке, в то время как на второй подложке электроды отсутствовали. Были изучены формирующиеся ориентационные структуры и их отклик на приложенное электрическое поле. Приложение электрического поля перпендикулярно слою ЖК вызывает стягивание петель и распрямление линейных дефектов, что, в конечном счете, может привести к исчезновению дефектов. В ячейках с одинаковой толщиной слоя ЖК установлено, что напряженность поля, при котором начинается движение линейных дефектов, а также поле, при котором происходит аннигиляция системы кольцевого дефекта и пары буджумов, зависит прямо пропорционально от величины d/p. Процесс релаксации структуры зависит от величины d/p, при котором для определенных значений этого параметра не происходило восстановления исходного состояния системы дефектов. В процессе релаксации возможно формирование метастабильной конфигурации директора близкой к периодической. Для случая линейного приближения зависимостей полярного и азимутального углов директора построена схема распределения поля директора данной метастабильной конфигурации. В случае приложения поля в плоскости подложек, линейные и точечные дефекты в сочетании с возможностью легкой азимутальной переориентации директора способствуют формированию областей со значительной деформацией поля директора («доменных стенок»). В малых электрических полях положение линейного дефекта не изменяется, при увеличении поля происходит изгиб линии дефекта и дальнейший рост участка дефекта, параллельного полю. Одновременно с этим возникает замкнутая «доменная стенка», толщина которой уменьшается с ростом поля. Дальнейшее увеличение поля приводит к обратному уменьшению длины линейного дефекта и его выпрямлению. В случае сближения за счет движения линейных дефектов формирующихся в электрическом поле «доменных стенок» происходит их пересечение с последующим разделением. Данный процесс приводит к распрямлению и ориентации доменных стенок вдоль поля и сопровождается появлением пары буджумов с топологическими зарядами m=+1 и m=-1, локализованных в пределах «доменных стенок». В случае приложения электрического поля к кольцевому дефекту с парой буджумов возникает замкнутая доменная стенка, содержащая оба дефекта. Как и в случае с линейным дефектом, существует интервал напряженности электрического поля, при котором происходит увеличение вдоль поля замкнутого линейного дефекта, в больших полях происходит обратный процесс стягивания дефекта. При этом происходит смещение буджумов вдоль «доменной стенки» в направлении линейного дефекта. При выключении электрического поля новый размер кольцевого дефекта сохраняется.

 

Публикации

1. Прищепа О.О., Крахалев М.Н., Рудяк В.Ю., Сутормин В.С., Зырянов В.Я. Electrically turning periodic structures in cholesteric layer with conical–planar boundary conditions Scientific Reports, Vol. 11. P. 8409 (год публикации - 2021).

2. Сутормин В.С., Крахалев М.Н., Тимофеев И.В., Бикбаев Р.Г., Прищепа О.О., Зырянов В.Я. Cholesteric layers with tangential-conical surface anchoring for an electrically controlled polarization rotator Optical Materials Express, Vol. 11, No. 5. P. 1527-1536 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Холестерик с тангенциально-коническими граничными условиями может быть использован для создания ахроматических электроуправляемых вращателей линейной поляризации света.