Реферат по материаловедению

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики

РЕФЕРАТ

По Предмету

«Материаловедение»

Вариант 4н

Преподаватель:

Лущейкин Г. А.

Москва 2003

1) Что такое жидкокристаллическое вещество (ЖК)? Объясните разницу между нематической, смектической и холестерической структурой жидкокристаллических веществ. Приведите примеры применения ЖК. Из чего изготавливаются прозрачные электроды в ЖК-дисплеях?

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является «наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов - смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на нематических, что поясняет рис. а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”. Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. б.

Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.

Изучение жидких кристаллов помогает решать проблемы в различных областях науки и техники.

Например, большинство ученых признают эволюционную идею о развитии жизни на Земле из неживой материи. На этапе биологической эволюции роль жидких кристаллов почти не вызывает сомнений. Дело в том, что процессы фотосинтеза, приведшие к образованию кислородной атмосферы, идут в зелёных растениях с прямым участием клеточных мембран, строение которых соответствует смектическому жидкому кристаллу.

Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптике, радиоэлектронике, химии, биологии.

Например, такие свойства жидких кристаллов, как ориентация их молекул в электрическом поле, используются при разработке различных оптических фильтров. Прозрачность этих светофильтров может изменяться в широких диапазонах, являясь функцией разности потенциалов, подведенной к жидким кристаллам.

Жидкие кристаллы способны долгое время хранить записанную на них информацию. Информация, представленная в двоичном коде, электрическим сигналом записывается на жидкокристаллическую матрицу, в виде участков с изменённым направлением молекул, т.е. прозрачностью матрицы. Считывание производится оптическим лазером. Прозрачно окошко или ячейка – записан нуль; непрозрачно – единица.

Наиболее широкую известность получили жидкие кристаллы, которые изменяют свой цвет в зависимости от температуры. С их помощью измеряют температуру, в частности человеческого тела, проверяют микроэлектронные схемы – определяют надёжность её элементов. С помощью жидких кристаллов можно измерять температуру не только непосредственно, но и на расстоянии. Это часто необходимо для регистрации мощности излучения ИК лазеров и СВЧ-антенн.

Уже давно применяется метод регистрации вредных веществ с помощью жидких кристаллов. Для этой цели созданы холестерики, которые вступают в химическую реакцию с парами вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и соответственно цвета плёнки индикатора. Такой индикатор по чувствительности не уступает многим детекторам, построенным по иным принципам.

Использование жидких кристаллов в системах отображения информации в современной электронике обусловлено, прежде всего, их чрезвычайно малым потреблением энергии.

Для изготовления ЖК - дисплеев используют нематические кристаллы. ЖК-дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные пластины, между которыми, собственно, и находится тонкий жидкокристаллический слой. Передняя стеклянная пластина прозрачна; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова). Задний электрод изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная, проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). На стеклах имеются микробороздки, которые направляют молекулы ЖК, сообщая им специальную ориентацию. Соприкасаясь с бороздками, молекулы жидкого кристалла ориентируются в заданном направлении. Прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям ЖК-слоя, можно изменять ориентацию молекул, получая видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками. Стеклянные пластины расположены между поляроидами, и именно благодаря изменению поляризации распространяющегося света появляется изображение на экране. В знаково-буквенных дисплеях токопроводящее покрытие как раз и имеет форму нужного знака. В графических дисплеях прозрачные токопроводящие электроды имеют вид квадратной сетки, одни прутья которой находятся на одном стекле, а другие - на другом, и тот пиксель, который оказывается на пересечении активных электродов, становится черным, т.е. непрозрачным.

2) Опишите работу твердотельного лазера (на основе монокристалла рубидия). Какие добавки входят в кристалл и зачем?

По принципу действия Твердотельные лазеры (ТЛ) являются аналогами парамагнитных лазеров, но в отличие от последних не требуют криогенных температур, внешнего подмагничивания и когерентности накачки. ТЛ, точно так же, как и полупроводниковые, которые тоже являются ТЛ, но по традиции выделены в отдельный класс лазеров), имеют максимальную среди всех лазеров концентрацию активной среды,