Влияние фазового перехода в сверхтонких пленках жидких кристаллов на электрофизические и оптические свойства

Актуальность темы

.

Теоретическое и экспериментальное исследование свойств жидких кристаллов продолжает оставаться в центре внимания специалистов, так как результаты этих исследований могут найти непосредственное техническое применение в приборах молекулярной электроники. Для этой цели наибольший интерес представляют сверхтонкие пленки, изготовленные на основе жидких кристаллов. В работах, опубликованных в последние годы, отмечалось, что свойства смектиков в объемной фазе и сверхтонких пленок того же состава существенно отличаются. Кроме того, при уменьшении толщины сверхтонких пленок наблюдается изменение их свойств. Это, прежде всего, касается фазовых переходов, которые в пленках могут происходить послойно по мере изменения температуры. Структура смектиков, как правило, неоднородна по толщине пленки. Так, например, монотонно может изменяться угол наклона директора по отношению к нормали к смектическому слою. Наличие ограничивающих пленку поверхностей оказывает существенное влияние на равновесные и динамические характеристики. Зависимость свойств сверхтонких пленок от их толщины, по-видимому, обусловлена изменением подвижности молекул жидкого кристалла. В настоящее время в научной литературе высказывается сомнение по поводу существования мезофазы в сверхтонких пленках.

В тонких пленках, имеющих структурные дефекты, изменение свойств при фазовом переходе наблюдается, как правило, в достаточно широком интервале температур. Для того чтобы обнаружить фазовый переход и понять, какова природа и механизм этого фазового превращения, необходимо подробное изучение самых различных свойств материала в широком интервале температур, включающем точку перехода.

В литературе в настоящее время практически отсутствуют данные о температурах и природе фазовых превращений в сверхтонких пленках жидких кристаллов, а также об изменении оптических, электрофизических и адсорбционных свойств этих объектов при фазовом переходе. В то же время, подобные исследования представляют интерес для фундаментального исследования систем пониженной размерности и анализа возможности использования тонких пленок сегнетоэлектрических жидких кристаллов в устройствах молекулярной электроники. Цель работы.

Обнаружение в исследуемых образцах фазовых переходов, выяснение их природы, исследование влияния фазовых превращений на оптические, электрофизические и адсорбционные свойства. Практическая значимость работы.

Получены данные, характеризующие зависимость структурных, оптических, электрофизических и адсорбционных свойств сверхтонких пленок жидких кристаллов от таких параметров, как толщина пленки, температура измерений, частота и амплитуда прикладываемого внешнего электрического поля при электрических измерениях, длина волны и поляризация падающего света. Подобная информация представляет большую ценность для изучения систем, обладающих пониженной размерностью. С практической точки зрения эти данные необходимы при создании сверхтонких сегнетоэлектрических пленок, для изготовления малогабаритных конденсаторов с большой удельной емкостью и для других применений в электрических и электрооптических системах. Результаты исследований также могут быть полезны при анализе фундаментальных физических свойств жидкокристаллических структур. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009 г.), ХУЛ, ХУП1 и XIX Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2010, 2011 и 2012 гг.), Национальная конференции по росту кристаллов (Москва, 2010 г.), УШ Национальная конференции РСНЭ-НБИК (Москва, 2011 г.), I Всероссийская конференция по жидким кристаллам РКЖК-2012 (Иваново, 2012 г.), International scientific school «Problems of gas dynamics, heat and mass transfer in power technology» (Moscow, 2011 г.), The 5th forum «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy» (Moscow, 2011 г.), V Международная заочная научно-практическая конференция «Научная дискуссия: вопросы физики, математики, информатики» (Москва, 2012 г.). Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 5 статьях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, а также в 14 тезисах и в 7 сборниках статей конференций. Личный вклад автора.

Основная часть экспериментальных исследований выполнена автором лично, анализ полученных результатов и написание статей проведены совместно с другими соавторами. Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 137 страницах, содержит 1 таблицу, 80 рисунков и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, основных выводов и библиографического списка, содержащего 102 ссылки на цитируемые литературные источники.

1. Сонин А. С.

Введение

в физику жидких кристаллов. М.: Наука, 1983. 320 с.

2. Шибаев В. П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости. // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 11. С. 37 46.

3. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977. 400 с.

4. Евдокимов Ю. М., Салянов B.C., Семенов С. В., Скуридин С. Г. Жидкокристаллические дисперсии и наноконструкции ДНК. М.: Радиотехника, 2008. 296 с.

5. Лёвшин Н. Л. Поверхностные явления в физике фазовых переходов в твердых телах. М.: Физический факультет МГУ, 2008. 288с.

6. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. М.: Мир, 1980. 344 с.

7. Блинов Л. М. Электрои магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978, 384 с.

8. Boden N., Bushby R. J., Clements J. Mechanism of quasi-one-dimesional electronic conductivity in discotic liquid crystals. // J. Chem. Phys. 1993. V. 98, № 7. P. 5920 5932.

9. Chandrasekhar S., Sadashiva B.K., Suresh K.A. Liquid crystals of disc-like molecules. // Pramana. 1977. V. 9, № 5. P. 471 480.

10. Усольцева H.B., Акопова О. Б. Дизайн низкомолекулярных и полимерных дискотических мезогенов. // Высокомолекулярные соединения, Серия А. 2010. Т. 52, № 10. С. 1728 1755.

11. Kouwer P.H.I., Jager W.F., Mijs W.J., Picken S.I. The nematic lateral phase: A novel phase in discotic supramolecular assemblies. // Macromolecules. 2001. V. 34, № 22. P. 7582 7584.

12. Акопова О .Б., Шабышев Л. С., Ветрова З. П., Карабанов Н. Т. Особенности поведения смесей дискотических жидких кристаллов в качестве неподвижных фаз в газовой хроматографии. // Журнал физ. химии. 2000. Т. 74, № 2. С. 293−296.

13. Brand Н. R., Cladis P. Е., Pleiner Н. Symmetries and physical properties of polar columnar phases in materials composed of achiral molecules. // Europhys. Lett. 2002. V. 57, № 3. p. 368 375.

14. Kumar S. Playing with discs. // Liquid Crystals. 2009. V. 36, № 6−7. P. 607 -638.

15. Усольцева Н. В., Акопова О. Б., Быкова В. В., Смирнова А. И., Пикин С. А. Жидкие кристаллы: дискотические мезогены. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2004. 546 с.

16. Березина Е. В. Производные фталоцианина как присадки к смазочным композициям. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2007.240 с.

17. Реутов О .А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2004. 264 с.

18. Блинов Л М, Береснев Л А. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. // УФН. 1984. Т. 143, № 3. С. 391 428.

19. Островский Б. И., Рабинович А. З., Сонин А. С., Струков Б. А., Чернова Н. И. Сегнетоэлектрические свойства смектического жидкого кристалла. // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 25, № 2. С. 80 83.

20. Пикин С. А. Структурные превращения в жидких кристаллах. М.: Наука, 1981.336с.

21. Giesselmann F., Zugenmaier P. Smectic-A*-smectic-C* transition in a ferroelectric liquid crystal without smectic layer shrinkage. // Physical Review E. 1999. V. 60, № 1. P. 598−602.

22. Singh A., Singh S. Application of a generalised thermodynamic model to study of the ferroelectric properties of DOBAMBC and DOBA-1-MPC. // Liquid Crystals. 2008. V. 35, № 6. P. 727 736.

23. Singh S., Singh A., Singh P., Singh Ab. Phase transitions in ferroelectric liquid crystals. //Phase Transitions. 2008. V. 81, № 9. P. 815−855.

24. Mukherjeel P.K., Pleiner H., Brand H.R. A phenomenological theory of the isotropic to chiral smectic-C phase transition. // Eur. Phys. J. E. 2005. V. 17, № 4. P. 501 -505.

25. Osipov M.A., Gorkunov M.V. Ferroelectric ordering in chiral smectic C* liquid crystals determined by nonchiral intermolecular interactions. // Phys. Rev. E. 2008. V. 77, № 3. P. 31 701−1 31 701−13.

26. Пикин С. А., Инденбом В.JI. Термодинамические состояния и симметрия. //УФН. 1978. Т. 125, № 2. С. 251 276.

27. Струков Б. А. Сегнетоэлектричество в мезофазах. // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 9. С. 101−105.

28. Струков Б. А. Сегнетоэлектричество в кристаллах и жидких кристаллах: природа явления, фазовые переходы, нетрадиционные состояния вещества. // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 4. С. 81−89.

29. Beresnev L.A., Blinov L.M., Baikalov V.A., Pozhidayev E.P., Purvanetska G.V., Pavluchenko A.I. Ferroelectricity in tilted smectics doped with optically active additives. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1982. V. 89, № 1−4. P. 327 338.

30. Штыков Н. М., Барник М. И., Палто С. П., Блинов Л. М., Pelzl G., Weibflog W. Диэлектрические свойства антисегнетоэлектрического жидкого кристалла, образованного банановидными молекулами. // ЖЭТФ. 2002. Т. 121, №. 3. С. 739 746.

31. Weissflog W., Lischka Ch., Dielea S., Pelzl G., Wirth I. New banana-shaped mesogens exhibiting switchable phases at relatively low temperatures. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999. V. 328, № 1. P. 101 109.

32. BarnikM. I., BlinovL.M., ShtykovN.M., PaltoS.P., Pelzl G., Weissflog W. Fine structure of the repolarization current in the B2 phase of a banana compound. // Liquid Crystals. 2002. V. 29, № 4. P. 597 603.

33. Link D.R., Natale G., Shao R., Maclennan J.E., Clark N.A., Korblova E., Walba D.M. Spontaneous aormation of macroscopic chiral domains in a fluid smectic phase of achiral molecules. // Science. 1997. V. 278, № 5345. P. 1924 -1927.

34. Dozov I. On the spontaneous symmetry breaking in the mesophases of achiral banana-shaped molecules. // Europhys. Lett. 2001. V. 56, № 2. P. 247 254.

35. Niori Т., Sekine Т., Watanabe J., Furukawa Т., Takezoe H. Distinct ferroelectric smectic liquid crystals consisting of banana shaped achiral molecules. // J. Mater. Chem. 1996. V. 6. P. 1231 1233.

36. Schmalfuss H., Weissflog W., Hauser A., Kresse H. Dielectric response of the B2 phase. //Proc. SPIE. 2000. V. 4147. P. 109 113.

37. Soto Bustamante E., Yablonskii S. V., Ostrovskii В. I., Beresnev L. A., Blinov L.M., Haase W. Antiferroelectric behavior of achiral mesogenic polymer mixtures. // Liq. Cryst. 1996. V. 21, № 6. P. 829 839.

38. Walba D.M., Korblova E., Shao R., Maclennan J.E., Link D.R., Clark N.A. A ferroelectric liquid crystal conglomerate composed of racemic molecules. // Science. 2000. V. 288, № 5474. P. 2181 2184.

39. Tournilhac F., Blinov L.M., Simon J., Yablonsky S.V. Ferroelectric liquid crystals from achiral molecules. // Nature. 1992. V. 359, № 6396. P. 621 623.127.

40. Blinov L.M. On the way to polar achiral liquid crystals. // Liquid Crystals. 1998. V. 24, № 1. P. 143 152.

41. Зарянов В. Я. Структурные, оптические и электрооптические свойства одноосно ориентированных плёнок капсулированных полимером жидких кристаллов. // Докторская диссертация, Красноярск, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН. 2002. 265с.

42. Палто С. П. Электрооптика и фотоника жидких кристаллов. // УФН. 2005. Т. 175, № 7. С. 784 790.

43. Блинов JI.M. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах. // УФН. 1974. Т. 114, № 1.С. 67−92.

44. Meyer R.B., Liebert L., Strzelecki L., Keller P. Ferroelectric liquid crystals. // J. Phys. Lett. (Paris). 1975. V. 36. P. 69−71.

45. Yoshino K., Uemoto Т., Inuishi Y. Ferroelectric behaviour of smectic liquid crystal. // Jpn. J. Appl. Phys. 1977. V. 16, № 4. P. 571 574.

46. Martinot-Lagarde Ph. Flexoand ferro-electricity observation of ferroelectrical monodomains in the chiral smectic С liquid crystals. // J. Phys. Colloques. 1976. V. 37, № 3. P. 129 132.

47. Yoshino K., Ozaki. M., Agawa H., Shigeno Y. Thickness and temperature dependences of dielectric property and electro-optic effect in ferroelectric liquid crystal. //Ferroelectrics. 1984. V. 58, № 1. P. 283 304.

48. Takezoe H., KondoK., Miyasato K., Abe S., TsuchiyaT., FukudaA., Kuze E. On the methods of determining material constants in ferroelectric smectic C* liquid crystals. // Ferroelectrics. V. 58, № 1. P. 55 70.

49. Yoshino K., Inuishi Y. Ferroelectric liquid crystal and its application. // Jpn. J. Appl. Phys. 1981. V. 20, Suppl. 20−4. P. 3 9.

50. Uemoto Т., Yoshino K., Inuishi Y. Ferroelectric properties of chiral smectic liquid crystal. // Jpn.J.Appl.Phys. 1979. V. 18, № 7. P. 1261 1265.

51. Блинов Л. М. Ленгмюровские пленки. // УФН. 1988. Т. 155, № 3. С. 443 -475.

52. Блинов Л. М. Физические свойства и применение ленгмюровских монои мультимолекулярных структур. // Успехи химии. 1983. Т. 52, № 8. С. 1263 -1300.

53. Александров А. И. Структура мезогенов в объемных образцах и пленках Ленгмюра-Блоджетт. // Докторская диссертация, Москва, Институт кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН. 2002. 450 с.

54. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Учеб для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1984. 368 с.

55. Ivakin G.I., Klechkovskaya V.V., Sukhorukov G.B. Fabrication of thin crystal films of organic compounds. // Thin Solid Films. 1994. V. 250, № 1−2. P. 238 -242.

56. Ковальчук M.B., Клечковская B.B., Фейгин Л. А. Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт. // Природа. 2003. Т. 72, № 12. С. 45 48.

57. Акципетров O.A., Ахмедиев H.H., Мишина Е., Новак В. Р. Генерация второй гармоники в ленгмюровском монослое. // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37. С. 175−179.

58. Беловолова Л. В., Масляницын И. А., Савранский В. В., Шигорин В. Д. Нелинейно-оптические свойства пленок Ленгмюра—Блоджетт родаминовых красителей. // Квантовая Электроника. 1996, Т. 23, № 6. С. 553−556.

59. Roberts G.G. An applied science perspective of Langmuir-Blodgett films. // Adv. in Physics. 1985. V. 34, № 4. P. 475 512.

60. Новак В. Р. Исследование затухания в тонкопленочных оптических волноводах на основе мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджетт. // Микроэлектроника. 1983. Т. 12. № 1. С. 181 190.

61. Львов Ю. М. Ленгмюровские пленки получение, структура, некоторые применения. // Кристаллография. 1987. Т. 32, № 3. С. 800 — 814.

62. Seto J., Nagai T., Ishimoto С., Watanabe H. Frictional properties of magnetic media coated with Langmuir-Blodgett films. // Thin Solid Films. 1985. V. 134, № 1−3. P. 101 108.

63. Штыков C.H., Русанова Т. Ю. Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. общества им. Д.И. Менделеева). 2008. Т. LH, № 2. С. 92 100.

64. Дульцев Ф. Н. Тонкие пленки как основа химических и биологических сенсоров. // Докторская диссертация. Новосибирск, Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. 2007. 251с.

65. Романов В. П., Ульянов C.B. Динамические свойства смектических пленок. // УФН. 2003. Т. 173, № 9. С. 941−962.

66. Островский Б. И. Динамика смектических мембран в лучах синхротрона. // Природа. 2002. № 7. С. 34 46.

67. ДолгановВ.К. Структуры и фазовые переходы в тонких жидкокристаллических пленках. // УФН. 2005. Т. 175, № 7. С. 779 784.

68. Долганов П. В., Нгуен Х. Т., Джоли Ж., Кац Е. И., Долганов В. К., Клузо Ф. Стабильность свободно подвешенных жидкокристаллических пленок, измерение энергии взаимодействия поверхностей пленок. // ЖЭТФ. 2007. Т. 32, № 3. С. 756 764.

69. Stoebe Т., Mach P., Huang С.С. Unusual Layer-Thinning Transition Observed near the Smectic-A-Isotropic Transition in Free-Standing Liquid-Crystal Films. // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73, № 10. P. 1384 1387.

70. Demikhov E.I., Dolganov Y.K., Metelov K.P. Step-by-step thinning of freestanding films above the smectic-A-nematic phase transition. // Phys. Rev. E. 1995. V. 52, № 2. P. 1285 1287.

71. Pankratz S., Johnson P.M., Holyst R., Huang C.C. Thinning transitions in free-standing liquid-crystal films as the successive formation of dislocation loops. // Phys. Rev. E. 1999. V. 60, № 3. P. 2456 2459.

72. Cluzeau P., Joly G., Nguyen H.T., Gors C., Dolganov V.K. Formation of string defects at thinning transitions in smectic-C* free-standing films. // Phys. Rev. E. 2000. V. 62, № 5. P. 5899 5902.

73. Andreeva P.O., Dolganov V.K., Gors C., Fouret R., Kats E.I. Polarization in free standing chiral and nonchiral smectic films. // Phys. Rev. E. 1999. V. 59, № 4. P. 4143−4152.

74. De Boer D.K.G. X-ray scattering from smectic films on a substrate. // Phys. Rev. E. 1999. V. 59, № 2. P. 1880 1886.

75. Martinot-Lagarde Ph., Duke R., Durand G. Temperature dependence of tilt, pitch and polarization in ferroelectric liquid crystals. // Mol. Cryst. Liquid Cryst. 1981. V. 75, № l.P. 249−286.

76. Kondo K., Takezoe H., Fukuda A., Kuze E. Temperature sensitive helical pitches and wall anchoring effects in homogeneous monodomains of ferroelectric Sm C* Liquid Crystals, nOBAMBC (n=6−10). // Jpn. J. Appl. Phys. 1982. V. 21, № 2. P. 224 229.

77. Biradar M., Bawa S.S., Samanta S.B., Chandra S. Measurements of a free value of helical pitch in a thin sample of ferroelectric liquid. // Physica status solidi (a). 1986. V. 97, № 2. P. 427 430.

78. Glogarova M., Pavel J. Behaviour of thin samples of ferroelectric liquid crystals. // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1984. V. 114, № 1−3. P. 249 -256.

79. Попик В. Ю., Жихарев В. Н., Бенца В. В. Влияние адсорбции на процессы поляризации в сегнетоэлектриках ВаТЮ3 и SbSl. // ФТТ. 1982. Т.24, № 2. С. 486 492.

80. Киселев В. Ф., Козлов С. Н., Левшин Н. Л., Смирнов Н. И. Управление фазовым переходом полупроводник-металл в пленках VO2 методом адсорбционных воздействий. // ФТТ. 1988. Т. 30, № 3. С. 924 926.

81. Левшин Н. Л. Влияние фазовых переходов на термодесорбцию поверхности твердого тела. // ФТТ. 1997. Т. 39, № 3. С. 573 576.

82. Левшин Н. Л. Влияние адсорбционно-десорбционных процессов на фазовые переходы в твердых телах. // Докторская диссертация. Москва, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. 2000. 434 с.

83. Гакель В. Р., Юдин С. Г., Дорошенко B.C., Давыдова Н. Н. Туннельная проводимость мономолекулярных органических пленок. // Электроника органических материалов, М., 1985. Сб. науч. тр. С. 173 176.

84. Ротре Т., Herminghaus S. Three-phase contact line energetics from nanoscale liquid surface topographies. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.85, №.9. P. 1930 1933.

85. Herminghaus S., Fery A., Schlagowsky S., Jacobs K., Seemann R., Gau H., Monch W., Ротре T. Liquid microstructures at solid interface. // Journal of Physics: Condensed Matter. 2000. V. 12, № 8A. P. 57 74.

86. Yip C.M. Atomic force microscopy of macromolecular interactions. // Current Opinion in Structural Biology. 2001. V. 11, № 5. P. 567 572.

87. Hansma H.G. Surface biology of DNA by atomic force microscopy. // Annual Review of Physical Chemistry. 2001. V. 52. P. 71 92.

88. Lazarev V.Y., Blinov L.M., Palto S.P., Yudin S.G. Electro-optical and ferroelectric switching of Langmuir-Blodgett films made of a chiral smectic-C liquid crystalline compound. // Thin Solid Films. 2008. V. 516, № 24. P. 8905 -8908.

89. Левшин Н. Л., Юдин С. Г., Дианкина А. Л. Влияние сегнетоэлектрического фазового перехода в пленках Ленгмюра-Блоджетт на их адсорбционные свойства. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия.1997. № 5. С. 54−56.

90. Левшин Н. Л., Пестова С. А., Юдин С. Г. Влияние фазового перехода на адсорбционные свойства тонких сегнетоэлектрических пленок сополимера винилиден фторида с трифторэтиленом. // Коллоидный журнал. 2001. Т. 63, № 2. С. 229 232.

91. Левшин Н. Л., Юдин С. Г. О существовании фазового перехода в сверхтонких сегнетоэлектрических плёнках поливинилиденфторида. // Высокомолекулярные соединения, сер. Б. 2004. Т. 46, № 11. С. 1981 1984.

92. Левшин Н. Л., Юдин С. Г., Крылова Е. А., Златкин А. Т. Структурный фазовый переход в ленгмюровских пленках фталоцианина ванадила. // ЖФХ. 2008. Т. 82, № 11. С. 2135 2139.

93. Ben-Chorin М., Moller F., Koch F. Hopping transport on a fractal: ac conductivity of porous silicon. //Phys. Rev. B. 1995. V. 51, № 4. P. 2199 2213.

94. Bune A.V., Ducharme S., Fridkin V.M., Blinov L.M., Palto S.P., Petukhova N., Yudin S.G. Novel switching phenomena in ferroelectric Langmuir-Blodgett films. // Appl. Phys. Lett. 1995. V. 67, № 26. P. 3975 3978.

95. Bune A.V., Fridkin V.M., Ducharme S., Blinov L.M., Palto S.P., Sorokin A.V., Yudin S. G., Zlatkin A. Two-dimensional ferroelectric films. // Nature.1998. V. 391, № 6670. P. 874 877.

96. Томашпольский Ю. Я. Пленочные сегнетоэлектрики. M.: Радио и связь, 1984. 193 с.

97. Vargel С. Corrosion of aluminium. Hardbound: Elsevier, 2004. 700 p.