Научная Сеть >> Сегнетоэлектричество в кристаллах и жидких кристаллах: природа явления, фазовые переходы, нетрадиционные состояния вещества

Наука >> Физика >> Общая физика >> Электричество и магнетизм | Популярные статьи

Сегнетоэлектричество в кристаллах и жидких кристаллах: природа явления, фазовые переходы, нетрадиционные состояния вещества

Б. А. Струков
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы

Существуют ли сегнетоэлектрики-жидкости? Возможно ли упорядочение дипольных молекул в жидкости таким образом, чтобы в ней возникла спонтанная электрическая поляризация? До сих пор экспериментаторы давали на этот вопрос отрицательный ответ: все жидкости кристаллизуются раньше, чем реализуются условия, необходимые для того, чтобы электростатическое взаимодействие дипольных молекул преодолело разупорядочивающее воздействие теплового движения. Более того, можно с уверенностью предположить, что даже для молекул с очень большим дипольным моментом известные особенности диполь-дипольного взаимодействия приведут не к параллельной, а к антипараллельной ориентации диполей с полной компенсацией суммарного электрического момента.
И все-таки жидкие сегнетоэлектрики были найдены! В 1975 году группа ученых под руководством американского физика Р. Мейера сообщила о сегнетоэлектрических свойствах органического вещества сложного состава - р-децилоксибензилиден-р-амино-2-метилбутилцинномата (сокращенно ДОБАМБЦ), обладающего специфическими жидкокристаллическими свойствами. На фазовой диаграмме этого соединения имеется линия фазовых переходов II рода между двумя фазами, которые можно назвать кристаллическими лишь с большой натяжкой: обе эти фазы имеют лишь одно направление (ось Z), вдоль которого вещество ведет себя как кристалл: молекулярные слои, перпендикулярные этой оси, расположены на равных расстояниях а (порядка длины молекулы) друг от друга, то есть в направлении оси Z имеет место трансляционная (как у кристаллов) симметрия. В направлениях же, перпендикулярных Z, система ведет себя как обычная жидкость: слои молекул могут скользить друг относительно друга, а молекулы в слоях перемещаются по слою хаотически. Такую фазу сегнетоэлектрика классифицируют как фазу жидкого кристалла. При пересечении линии фазовых переходов происходит следующее. В состоянии А (будем так условно называть фазу при Т > Т_C) стержнеобразные молекулы беспорядочно перемещаются в слоях, оставаясь в среднем параллельными оси Z (рис. 5); нетрудно видеть, что при этом вся система в целом будет иметь ось Z в качестве оси бесконечного порядка, поскольку поворот на любой угол вокруг нее не изменяет положений молекул в фазе А. Как только точка, указывающая состояние системы на фазовой диаграмме, пересечет указанную линию фазовых переходов и попадет в состояние С (Т?C ), длинные оси молекул самопроизвольно и синхронно отклоняются от оси Z на угол $\Theta$ , причем зависимость $\Theta (T)$ вблизи Т_C имеет вид, представленный на рисунке 4а, то есть непрерывна и соответствует фазовому переходу II рода. Может ли быть такой фазовый переход сегнетоэлектрическим, то есть сопровождаться появлением управляемой электрическим полем спонтанной поляризации? Очевидно - и это было ключевым моментом в рассуждениях Р. Мейера - только в том случае, если каждая молекула имеет спиральную структуру, то есть не имеет плоскостей симметрии вдоль длинной оси. Из рисунка 5 видно, что спиральная С-фаза имеет весьма низкую симметрию - единственную ось второго порядка, лежащую в плоскости слоя перпендикулярно оси Z. Вдоль этой оси может располагаться спонтанная поляризация жидкого кристалла в том случае, если молекулы имеют поперечный дипольный момент, параллельный плоскости слоев. Именно этими свойствами - спиральностью и поперечным дипольным моментом - обладают молекулы ДОБАМБЦ; оказалось, что изменение направления вектора P_s внешним электрическим полем приводит к изменению знака угла $\Theta$ молекул по отношению к оси Z. Существенным отличием жидкокристаллических сегнетоэлектриков от кристаллических является то, что в спиральной смектической С-фазе длинные оси молекул, отклоненные от оси Z на угол $\Theta$ , вращаются вокруг этой оси, образуя в пространстве макроскопическую спираль (геликоид) с шагом $h = 2\pi a / \alpha$ , где a - величина трансляции, $\alpha$ - угол между проекциями осей молекул соседних слоев на плоскость слоя. По существу, при приложении электрического поля в направлении, перпендикулярном оси Z (то есть в плоскости слоя), происходит "раскручивание" геликоида и установление однородной поляризации и однородного по объему наклона молекул, исчезающих в точке фазового перехода в А-фазу.

Рис. 4. Температурные зависимости спонтанной поляризации (а), теплоемкости (б), диэлектрической восприимчивости (в) вблизи сегнетоэлектрического фазового перехода II рода.

Макроскопическая геликоидальная структура может быть "раскручена" также путем смешивания различных жидкокристаллических соединений, имеющих, например, разный знак спирали "отдельных" молекул ("правые" и "левые" молекулы), а также специальной обработкой поверхностей, удерживающих жидкокристаллический образец (поверхностно стабилизированные сегнетоэлектрические жидкие кристаллы).

Рис. 5. Участок фазовой диаграммы спирального слоистого жидкого кристалла в области линии фазового перехода II рода между фазой А (оси молекул параллельны оси Z) и фазой С (оси молекул наклонены по отношению к оси Z на угол $\Theta$ ); направление P_s "к нам" условно показано точками в кружках. На врезке: температурная зависимость угла $\Theta$ и спонтанной поляризации Р_s , термодинамический путь вдоль штриховой линии.

Сегнетоэлектрическое жидкокристаллическое материаловедение переживает в настоящее время настоящий расцвет. Несмотря на сложную структуру молекул, обладающих спиральностью и поперечным дипольным моментом (как правило, в состав этих молекул входит два или три ароматических кольца, формирующих ее "стержень", а также подвижные цепочечные концевые группы), своеобразная молекулярная инженерия позволяет "конструировать" молекулы по заданной схеме, обеспечивая необходимое значение дипольного момента и локализацию так называемого "спирального" центра, обеспечивающего отсутствие плоскостей симметрии, проходящих через ось молекулы. В самое последнее время на этом пути достигнуты замечательные успехи: количество новых жидкокристаллических сегнетоэлектриков быстро растет, их спонтанная поляризация приближается по величине к спонтанной поляризации кристаллических сегнетоэлектриков, реализованы фазы, в которых дипольные моменты молекул в слоях чередуются так, что формируется своеобразная "антисегнетоэлектрическая" конфигурация молекул с дипольными моментами в соседних слоях, ориентированными в противоположных направлениях.
Нетрудно представить, насколько сложным является теоретическое описание явлений и фазовых переходов в этих "кентаврах" природы; тем не менее эмпирические закономерности, устанавливаемые физиками и химиками в рядах родственных соединений, позволяют быстро развиваться этому направлению сегнетоэлектрического материаловедения, обещая создание весьма перспективных материалов - элементов оптических компьютеров, эффективно изменяющих свои оптические характеристики под действием малых электрических полей.

Назад | Вперед

Соросовский Образовательный Журнал

Написать комментарий