液晶光子学第6章铁电液晶课件

1、液晶光子学第六章铁电液晶6.1对称性和极化6.2典型光电模式6.3铁电液晶的取向6.4铁电液晶显示器件及光子器件of402习题6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of40311975年，Meyer根据对称性的考虑，预言由手性分子组成的近晶C相（Smectic C）具有铁电性。并由Meyer与Keller等人合作，合成了第一个铁电液晶材料，直接证明了液晶铁电性的存在。21980年，Clark与Lagerwall提出，将铁电液晶置于两块间隔很小的玻璃基板中（小于2微米），则铁电液晶的分子取向呈双稳态性，被称为表面稳定型铁电液晶模式（surface stabilized ferroelectric l

2、iquid crystal-SSFLC）。31989年，Beresnev等提出的螺旋形变型铁电液晶（deformed helix ferroelectric - DHF）采用短螺距铁电液晶材料使其在两片平行取向基板之间形成均匀的螺旋结构，利用外加电场对铁电液晶分子分布的改变实现光电调制。向列相液晶难以满足高帧频大容量动态显示的要求,高速移动图像会出现“拖尾”等现象,严重影响显示质量。因此研发快速响应的液晶器件已经成为当务之急。1从“向列相”到“近晶相”6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of404液晶分子液晶相晶体: 晶格结构+取向固定 (5个自由度固定)液体: 无序的分布和取向 (5个自由度随

3、机)液晶: 介于晶体与液体之间 (1-4 个自由度)例： 向列相液晶: 取向固定(), 位置随机（x,y,z,）光学各项异性6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of405液晶分类依据相变: 热致液晶、溶致液晶等依据结构：向列相、近晶相、胆甾相等依据分子形状： 棒状、盘状、香蕉状Liquid crystal is milky and not clear. Hence the term clearing temperature.6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of406什么是液晶显示(LCD)?液晶显示器结构6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of407光的偏振光的波动性 - 光的干涉、衍射 .光波

4、是横波 - 光的偏振 .非偏振光(自然光)完全偏振光（线偏振光）部分偏振光根据偏振状态6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of408振动面u电矢量（ ）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振光。线偏振光表示法光的偏振6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of409马吕斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 )马吕斯定律光的偏振P1P2I0I1I2P3P1P26.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4010什么是液晶显示(LCD)?液晶显示器结构Twist Nematic“Normally on” display6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4011铁电液晶缺乏

5、反射对称 - 自发极化 螺旋结构由倾斜角 和方位角 描述.外加电场改变液晶分子分布，改变液晶层的双折射特性.SmC*相, 手性SmC相6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4012近晶相的对称性向列相向列相可以围绕指向矢 旋转而不产生任何改变，从而具有旋转对称轴 ，并具有与 轴垂直的 反射对称面以及过 轴的 镜像对称面，所以向列相的局域对称性可以用 群表示，并且具有平移对称。近晶相除了取向有序性外，近晶相中的棒状液晶分子同时具有平移有序性，从而形成层状结构，层厚与液晶分子长度的量级相当。近晶A相在近晶A相（Smectic A）的层内，分子倾向于垂直层面排列，层厚d大致是分子长度L。近晶C相在近

6、晶C相（Smectic C）的层内，分子彼此平行，但是与层法线相交的角度成为倾斜角，则层厚 6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4013近晶相的对称性近晶A相和近晶C相的有序性都高于向列相，因此他们往往出现在比向列相温度低的区域。对称性上的差异使近晶A相和近晶C相的光学性质显著不同。近晶A相的局域对称性与向列相相同，在光学上是单轴的。近晶C相的局域对称性为 ，即一个 轴对称和垂直于 轴的 反射对称面，因而近晶C相是双轴的。从对称性出发,大多数液晶相不出现铁电性。由手性液晶分子组成的倾斜近晶C相液晶会失去镜面对称性,从而能够具有自发极化,呈现铁电性。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of401

7、4近晶相的对称性目前所知的铁电液晶都是由手性分子构成的近晶C相。分子的倾斜角保持不变，但它们的倾斜方位角沿着层法线逐渐改变，形成螺旋结构。这在一性质类似于胆甾相液晶中的螺旋结构。手性近晶C相的螺旋结构已经在20世纪70年代初被发现并检测，早于液晶铁电性被预言及证实之前。螺旋结构螺距P可以从百纳米到任意大值的范围内变化，取决于液晶分子的手性特征或手性掺杂浓度。在近晶C相的主要温度区间内，即远离相变温度点，大多数铁电液晶材料的螺距对温度只有微弱的依赖性。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4015棒状铁电液晶分子除了含有手性基团外，具有垂直于分子长轴的永久电偶极矩是铁电性存在的另一个条件。在铁电

8、液晶的螺旋结构中，伴随着指向矢围绕z轴旋进，自发偶极矩方向也随旋转，并在一个螺距之后回到原始方向：铁电液晶的自发极化在无电场等外力作用的平衡态下，根据系统自由能最小化依据，铁电液晶分子在层状螺旋结构中均匀有序分布，在极坐标系下指向矢分布可描述为在无电场等外力作用的平衡态下，宏观自发偶极矩可以通过在一个螺距内积分平均求得，可见铁电液晶的宏观自发极化并不显现。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4016铁电液晶的关键参数1.倾斜角 tilt angle铁电液晶的倾斜角由分子结构及温度决定，可小至接近零度，某些特殊配制的铁电液晶材料也可实现室温下倾斜角接近45度18。不同的应用环境及不同的光电响应

9、模式，对于倾斜角所要求的最佳取值范围也不尽相同。倾斜角的测量可分为光电响应间接手段和X射线手段，通常不同手段的测试结果略有不同27，这是因为铁电液晶分子的弯曲形分子形状所致。倾斜角具有温度特性，可用公式（5）描述，以铁电液晶DOBAMBC为例，如图828，随温度的增加，倾斜角逐渐减小，并在相变温度时骤减至零度，进入近晶A相或向列相。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4017铁电液晶的关键参数2.自发极化矢量 spontaneous polarization铁电液晶的自发极化矢量取值由分子结构及手性掺杂浓度决定，常见的铁电液晶材料的自发极化矢量在几nC/cm2到几百nC/cm2之间。自发极化

10、矢量可由公式计算：分别为密度，分子量和阿伏伽德罗常数.有效偶极矩可通过横向分子偶极矩在一个螺距内的平均获得有效偶极矩与分子横向偶极矩的比值定义为分子横向排列的序参数，通常在10-4 10 -16.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4018铁电液晶的关键参数3.旋转粘滞系数 rotational viscosity 在动力学过程中，铁电液晶分子指向矢在外场作用下重新排布，在此过程中粘滞系数决定了其响应时间。根据铁电液晶的对称性，指向矢在极坐标下由两个角度 描述，对应的动力学方程为在远离相变温度时，近似认为近晶层倾角保持不变，近晶层倾角的改变将伴随着材料密度的变化。因此在铁电液晶动力学过程中，仅有

11、指向矢方位角变化，粘滞系数决定了指向矢排布的快慢。 实验中，旋转粘滞系数可由光电响应曲线测量获得。若想进一步降低响应时间，应使旋转粘滞系数尽可能小或自发极化强度尽可能大。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4019铁电液晶的关键参数4.光学各项异性 birefringence铁电液晶分子具有双轴特性。因此在考虑外加电场作用时，铁电液晶的介电双轴性应予以考虑。当分子在螺旋结构内均匀排布 时，铁电液晶的双轴性得以在螺旋结构的平均下而消失 。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4020铁电液晶的关键参数4.弹性模量与取向层的锚定能铁电液晶材料的弹性能量密度同时，取向层对液晶层的贡献也应予以考虑，

12、在取向层附近，不仅液晶分子指向矢具有一定程度的形变，近晶层也会在取向层的影响下发生形变，因此以近晶层法线和锚定系数来描述取向层对总自由能的贡献：液晶层总自由能可由铁建液晶内部弹性能量密度的体积分和取向层表面能量密度的面积分获得，在外置电场存在的情况下，还应考虑外加电场对液晶层总自由能的贡献：液晶层内分子指向矢的稳定分布可通过自由能最小化求出。6.1对称性和极化第六章 铁电液晶of4021铁电液晶的关键参数4.弹性模量与取向层的锚定能不同的铁电液晶材料在不同的边界取向条件下展现出各式各样的排布方式及相应的光学效应，以螺旋轴平行于玻璃基板的平行取向液晶盒为例，层垂直于玻璃基板排布。第六章铁电液晶6

13、.1对称性和极化6.2典型光电模式6.3铁电液晶的取向6.4铁电液晶显示器件及光子器件全国高校标准教材云计算姊妹篇，剖析大数据核心技术和实战应用of4022习题6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4023表面稳定型(SSFLC)N. Clark, S.T. Lagerwall, APL, 36, 899 (1980).6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4024表面稳定型(SSFLC)cell gap d 0 c) 0E=0E10-4J/m2PI5.29*10-4J/m210-3 10-4J/m2ComparisonH. S. Kwok, V. G. Chigrinov, H. Takad

14、a, and H. Takatsu, J. Disp. Technol., vol. 1, no. 1, pp. 4150, Sep. 2005.6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4043铁电液晶的光控取向Chemical structure and absorption spectrum of photoaligning dye SD-1Symmetric boundary condition6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4044铁电液晶的光控取向Optimal exposure doseWith more exposure doseContrast first increase

15、sThen tends to saturationExposure dose vs. anchoring energyThus the optimal alignment quality can be obtained with the condition that the anchoring energy of alignment layer is balanced with elastic energy of LC. 第六章铁电液晶6.1对称性和极化6.2典型光电模式6.3铁电液晶的取向6.4铁电液晶显示器件及光子器件全国高校标准教材云计算姊妹篇，剖析大数据核心技术和实战应用of4045习

16、题6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4046铁电液晶光开关均匀的、排列完好的SSFLC可以近似地认为是单轴双折射材料，其光轴沿着指向矢方向，两个稳态光轴之间的夹角为 。当在玻璃基板两侧加上互相垂直的起偏器与检偏器，并使起偏器方向平行于某一稳态的光轴时，得到一个光开关。双稳态SSFLC光开关，优点是省电、响应速度快，其缺点是稳定态易受机械振动破坏、通光孔径受工艺限制。目前铁电液晶光开关器件工艺成熟，商品化器件性能稳定，响应谱段覆盖可见光、近红外至中波红外。6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4047Field sequential color (FSC) Display5 times ef

17、ficiency improvement3 times resolution densityExtended color triangleCourtesy by Prof. KwokLCD: Optical EfficiencyColor Filters: 30%Analyzer: 90%TFT-Array: 60%Wide-view LC: 85%Optical films: 70%Polarizer: 45%Transmittance 5%BacklightCourtesy of Prof. YP Huang, IDRC 2008 and Prof. S.T. Wu, SID 2009场序

18、彩色显示6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4048螺旋形变型铁电液晶(DHF)FSC display based on DHF effect6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4049电致解旋型铁电液晶(ESH)FSC display using ESH FLC Pulse width modulation (PWM) The link for ESH-FSC display video is http:/youtu.be/ay-LpQnFEVE. Pozhidaev, E.; Chigrinov, V.; Srivastava, A.; Kwok, H.S. US Provisional Patent Application No. 61/457,765 6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4050电致解旋型铁电液晶(ESH)Mechanically stable FLC6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of4051电控光栅ESH模式应用快响应光栅6.2典型光电模式第六章 铁电液晶of40