用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性.ppt

1、用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性,武汉大学物理实验教学中心 周殿清 于国萍,一、液晶简介,液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢,1.液晶的发现,他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LC

2、D,2. 液晶的基本特性,液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于“完全有序的周期性结构”和“完全无规则结构”之间的介晶态，它具有长程有序和各向异性的特征。 液晶具有液体的一些特征流动性、不能承受切变力、可形成液滴等。同时又具有晶体的某些特征分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、磁化率、粘滞系数、弹性系数均为各向异性。 液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。本实验采用的是热致液晶,3.液晶的应用,液晶显示技术（高分辨、快速响应、彩显,3.液晶的应用,液晶显示原理图,3. 液晶的应用,液晶光学元件：快门、

3、光圈、透镜、偏振片、光存储器 液晶传感器：温度、电压、流速、加速度、压力传感器，大气污染监测 液晶热图象：医学、生物领域应用 液晶聚合物、新型功能材料（记忆元件、光学元件）；纺织、变色纤维；微胶囊技术、印刷油墨,二、热致液晶的结构和分类,热致液晶按分子排列状态可分为,向列相 近晶相 胆甾相,向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶,向列液晶在偏光显微镜 下的图象,向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电

4、、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料,近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶,隧道显微镜下的近晶相层状液晶,近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性,胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶,胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，

5、每层分子都会旋转一个角度。 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级,由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色,三、热致液晶相变,1. 互变相变（可逆相变） 2. 单变相变,四、液晶的光学特性,1. 液晶的各向异性 P型液晶 （0） 正介电各向异性液晶 N型液晶（0） 负介电各向异性液晶,液晶长轴,液晶短轴,2. 液晶的双折射,以P型为例，长轴为光轴 向列液晶有 ，所以n0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为,由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性： 能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特性设计制造的,五、本实验的内容与要求,偏光显微镜的调整与校正； 了解并观察液晶光学性质双折射效应