向列相弹性常数K1,K3和切变粘滞率γ1的测量

向列相弹性常数K1,K3和切变粘滞率γ1的测量 向列相弹性常数K1,K3和切变粘滞率γ1的 测量 南京大学 第28卷第l期JOURNALOFNAN~NGUNIVERSITYVo1.28,.1 1992年1月(NATURALSCIENCESEDmON)Jan.,1992 向列相弹性常数K1?K和 切变粘滞率y的测量? 储浩玉孙政民 (南京工程兵工程学院)(固体微结构物理实验室) 摘要本文报道了利用磁场Fredericks转变以及液晶各向异 料(MBBA和6cB)中同时测量弹性常数.(或)和切变粘滞率y的方法?井讨论了与 之相关的问题.? 关键词:向列相,弹性{数.切变粘滞率,Frededcks转变 中图法分类号:0753 0引言 弹性常数和切变粘滞率表征了液晶材料的弹性和粘滞性质,是最基本的槐理量.当液 晶用作显示材料时,这些量将直接影响电压阈值和响应时问等最重 要的电光效应参数,从 而决定了液晶显示器件的性能.所以.当一种新的液晶材料被合成出来后,人们常常关 注弹性常数和切变粘滞率的测量因此测量这些物理量不仅在基础研究方面具有重要意 义,同时也为研制新型液晶材料提供技术上的依据. 测量弹性常数和切变牯滞率各有多种方法.L1I本文报道的是利用磁场Fredericks转 变同时测量弹性常数K1(或K3)和切变粘滞率71的方法. .1实验原理 液晶可视为连续弹性体.对于小形变情形,向列相的弹性形变自由能密度可表示为I?l ?收稿日期:l99o-l2一如. 第一作者简介|储浩玉.47岁,讲师,晶体物理专业,已发表铌酸钮钠晶体电畴的透射电镜观测等论文 ?52?南京大学(自然科学)第28卷 = (v?)+j1 2 (?Vx神+j1(×V×)(1) 连?塑墨!,:, 二二二二二一二二二二IH 三-n-_--_-_-_Z---~0百 , 分别称为展曲,扭曲和弯曲弹性常数. 将单畴液晶盒(未受扰动的指向矢全部定向平行或全 部垂直基片排列)置于磁场中,并且日的方向与.垂直, 当大于某一临界场强日.时将发生Fredencks转变.. 根据指向矢的排列方向和磁场方向的配置,可得到三 种不同的几何形式(图1).对这三种情况,理论上可相应地 求出 亘d,Jxo-,z 图1三几何形式 F.1Thr?Eeomtricforms 式中d为液晶层的厚度?,一J.为各向异性磁化率t 于是由(2)式可得到. 在发生Fredericks转变后. 指向矢的分布如图2所示(对应于图1中第3种几何形式). 理论表明指向矢偏离原方向的角度是12] 0=0MCOS;=(3) 上式中日是液晶盒内的中分面上指向矢的偏转角,在液晶盒中O为 最大值,z轴垂直于 基片. 如果磁场由大于?的某一个值突然减小到日,(日,<),由于边界的表面锚定作 用.指向矢将回复到原来的方向,计算表明 目2(1, , )=日(o)exp[一l/f,)】(4) 面 (,):等三(日一;)(5)f(,):—(日一;)(5) 式中,是切变粘滞率,f是弛豫时间. 弛豫时间f可由下述光学方法测量,不过这种方法仅对图1中的(1)和(3)两种几. 何形式有效.对图1中第2种几何形式,f的测量可参阅参考文献[4].下面以图1中第3 种几何形式为例,说明用光学法测量f的原理. 将藏晶盒置于正交倡振片之间,并放人磁场内(起偏片的偏振方向与磁场方向成 45.角),令单色光沿垂直玻璃片方向人射.当<.时,指向矢保持不变,人射光沿光 轴传播,不发生双折射.当)..时.指向矢发生偏转.如图2所示.由于液晶材料具 有光学各向异性,因此当单色馆振光人射时,在液晶内部会分成寻常光线和非常光线.当 通过厚度为d的液晶盒后.由于盒两边皆置有正交偏振片,所以出射的寻常光线和非常 光线将发生干涉.随着液晶分子的不断偏转,透射光强由于位相差5的变化而呈现明暗交 第1期储浩玉:向列相弹性常数KI.K,和切变牯滞率y-的测量?53? 替的变化: 当=2N时,干涉加强,呈亮态; 当=(2N+1)大时,干涉相消,呈暗态. 这里N为正整数.另一方面,当磁场从日r(日r>日)突然降到日,(日,<日),透 射光强也会出现这种明暗交替的变化. 当指向矢偏转时,N近似与0:(t)成正比,因此? _ ?=Ae,】为常数)(6) 两边取对数.可得 lnN=inA—ft(H,)(7) 显然由InN--t的线性关系可求出对应于日,的f(H,),对应于不同的H,,可求出相 应的f一,于是由(5)式所示f(日,) 与日:的线性关系可同时定出临界场强日 和以粘滞率7,.最后由(2)式从日可定 出K(f=1,3). 叶,: 伽L————L———一 2实验方法 2.1样品制备 图2Fredericks转变后指向矢场的分布本实验所用的液晶材料是MBBA和 F||?2Thedistributionofdirectorsa舳rthe6CB.这两种材料在室温下均呈向列相.样 .deh”““ce品盒由两片玻璃片组成,中间夹着液晶材 料.液晶层的厚度由在两玻璃片之问的聚酯 垫片的厚度来决定.为了得到不同的单畴样 品.玻璃片需经过仔细的表面处理.利用单 向摩擦技术可得到平行排列(即分子在平行 于玻璃基片的平面内定向排列):使用十六烷基三甲基溴化铵(HTAB)的乙醇溶液进行 处理可得到垂直排列(eP分子垂直于玻璃基片排列). 2.2实验装置 实验装置如图3所示.液晶盒放在电磁铁的两个磁极之间,盒两边置有正交偏振片. 为使干涉效果最强.起偏片的偏振方向与磁场方向成45.角.氨氖激光器发出的单色光 通过三棱镜沿垂直玻璃片的方向人射到液晶盒上,透射光由光电二 极管接受,并送到记录 仪以记录光强的变化.该装置使用平行排列 gneticfielddecreasessuddenlyfromHtto Hf 图中所标出的1,2,3.4,5即为N的数值 仪的走纸速度可得到每个N个值所对应的 时间f,这样就得到某一H,值所对应的一 组(?,f)数据,由(7)式利用作图法 可得到f(何,).保持H不变.改变 何,的值,重复上述过程可得到不同的 f(何. ),由(5)式用作图法可得到 何和/,. 3实验结果 利用上述实验方法,我们测量了 MBBA和6CB的弹性常数置,K和切变 牿滞率. 对于6CB平行排列的样品,图5给出 t;0对应于磁场突然降低的时刻.由记录 f 亡口Dr LL]』 静ls 图3实验装置示意图 Fig.3TheexperimentalAe卜u口 L氪氖激光器HNe—la靶r M,M?-三棱镜Prisms p-起偏片PoIa~Lzer A一检偏片Analyzer 丑一液晶盒LcceU C-光电二极管Photodiode D-记录仪Recorder 了在不同何,时1n?与f的关系.为避免图中实验点过分拥挤,找们只给出了当H,为 0.020T和0.0561”时inn与l的关系.由此关系可以走出弛豫时间f(何,】.图6则给 出了f(何,)与何;的关系.由图6中所示直线与横坐标的截厦即可定出,而由直线 的斜率可定出x. /1. 对于不同材料不同单畴样品的测量是类似的,此处不一一赘述.现将实验结果如 下: B K1=3.45×10一N K.=6.0l×10 1 0-084P . „ 第l期储浩玉:向列相弹性常数Kl,Kj和切变粘滞率_,l的测量?55 这些数据与文献上所报道的结果相符合. 6CB Jrl5.02x×10? K一=5.57xx10? l=1.45x×10,? 由于6CB的x值未知,所以本实验实际上只能得到 K/ztK,/x . ,x . /.的比.通常液晶的各 向异性磁化率均很小,约在10_.10,c.g.(电磁 单位.假定6cB的x.取为1_0x10-?,州有 I, 嘤5对于6c日平f排列的棒品. 同的Hf所对应N与tN的盖茬. Fig51口N%ulldmm蛆net fieldsHff村a0I?口r~mple0F6CB 田6IHf2之同帕罩(6CB-平捧刊). FI?6Iv?Hf2for…plc.~rDkotB 4.1样品制备的好坏对测量结果影响很太.若样品 处理不好,不能满足表面强锚定条件,则将造成较大的测量误差.样品排列的质量可用 偏光显微镜来进行检验.对于高质量的样品,如果是垂直排列的液晶盒,用锥光入射可观 察到清晰的黑十字叉;如果是平行排列的液晶盒,当转动显微镜载物台一圈,视场中会出 现四次消光. 4.2本文讨论的是小形变情形,因此产生Fredericks转变所需的磁场不要施加得太大, 但日太接近. 也不宜,这是因为N的数目太少,不易测准t一,而且驰豫的时问太 长.一般取=1.5H.,同时在lnN,t的图中取线性部分来求f_.. 4.3在垂直排列的样品中,由于存在反流(bac.dflow)效应,所以测出的并不是真正的 ,而只是.因此两者数值并不相同.一般测量7.时应采用平行排列的样品. 4.4弹性常数和切变粘滞率都是温度的函数,本文所报道的结果均是在20.c左右的室 温下测量的.随着温度的升高,弹性常数和切变牯滞率将减小. 4.5在磁场H和初始状态的指向矢严格垂直的情况下,当发生Fredericks转变时会出 现一种缺陷一畴壁(wal1).畴壁的出现会干扰透射光强的变化,从而影响测量结果.如 果使与之问有一个小的倾斜角(1.,2),则可避免畴壁的产生.通常情况下,这 样形成的样品可保证是单畴的.但另一方面,利用畴壁及其运动也可求出弹性常数之间的 比值和切变粘滞率,?. ? 56?南京大学(自然科学)第28卷 致谢:上海华东化工学院化学系李国镇教授提供6CB样品,谨致谢意. 参考文献 DeulingHJinLiquidCrystalsed.L.Liebert,NewYork:AcademicPress. 1978:77-108 deGennesPG.ThePhysicsofLiquidGrystals,Oxford:UniversityPress,? 1974. PieranskiP..BrochardF.andGuyonE.,J.dePhys.,1973;34:35. CIadisPe?Phys.Rev.Lett.,1972;28:1629 LegerL.,Mo1.Cryst.Liq.Cryst.,1973;24:33 MEASUREMENTOFELASTICCONSTANTSkl,k3 ADNSHEARVlSC0SrrYOFNEMATIC LIQUIDCRYSTALS ChuHaoyu (TheEngineeringInstituteoftheEngineerCorps,) SunZhengmin (LaboratoryofSolidStateMicrostructures) AbstractInthispaperwedescribeamethodofsimultaneouslymeasuringtheelastic constantK1(orK3)andshearbiscositybymeansoftheFrederickstransitioninamag- neticfieldaswellasanisotropicopticalpropertiesofliquidcrystals,andillustrateitwith theresultsobtainedinbothMBBAand6CBliquidcrystals.Wealsodicusssomerelated problems. Keywords:Nematic,Elasticconstant,Shearviecositycoefficient