Реферат: Профессии жидких кристаллов
Ученика 10«А» класса
Средней 323 школы
Доскач Вячеслава Олеговича
Реферат по физике на тему:
«Профессиижидких кристаллов».
Всё чаще мы стали встречаться стермином «жидкие кристаллы». Мы все часто с ними общаемся, и они играютнемаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройстваработают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочиеустройства<span CourierCyrillic",«sans-serif»">.
Чтоже это за вещества с таким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» ипочему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука сталапроизводительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес ктому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объектпредставляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением ижидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями ихэффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности.Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту,удобство<span CourierCyrillic",«sans-serif»">.Жидкийкристалл – это специфическое агрегатное состояние вещества, вкотором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надооговориться, что далеко не все вещества могут находиться вжидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только втрех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом,жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающиесложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовыватьчетвертое агрегатное состояние—жидкокристаллическое. Это состояниеосуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавленииобразуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фазасуществует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой болеевысокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычнуюжидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестьюи принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известныхвсем 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 неменее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает ихот обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул,образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нетполного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотячастичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллическойрешетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладаютсвойством текучести.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающимих с обычными кристаллами, является наличие порядка» пространственнойориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, втом, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированыодинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшегоназванного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществлятьсяболее сложный ориентационный порядок молекул.
В зависимости от видаупорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности:нематические, смектические и холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их применениям в настоящее время ведутся широкимфронтом во всех наиболее развитых странах мира. Отечественные исследованиясосредоточены как вакадемических,так и отраслевых научно-исследовательских учрежденияхи имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы вЛенинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. Впоследние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователитакже вносят весомый вклад в развитие учения о жидкихкристаллах в целом и, вчастности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского,С. А.Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских исследователейшироко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Существованиежидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то естьпочти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с даннымсостоянием вещества, но официально его открыли позже.
<span CourierCyrillic",«sans-serif»">Первым, кто обнаружил жидкиекристаллы, был австрийский ученый-ботаник Рейнитцер.Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил,что при температуре145° С кристаллыэтого вещества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. Припродолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданныесвойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматривая эту фазу подполяризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладаетдвупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скоростьсвета е этой фазе, зависит от поляризации.
Явление двупреломления—это типично кристаллический эффект, состоящийв том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскостиполяризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимальногои минимального значений для двух взаимно ортогональных ориентаций плоскостиполяризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальнымзначениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристаллаи однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительнонаправления распространения света.
Поэтомусказанное поясняет, что существование двупреломления в жидкости, котораядолжна быть изотропной, т. е. что ее свойства должны быть независящими отнаправления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то времямогло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла,кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако болеедетальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физикаЛеймана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т. е. несодержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовымсостоянием вещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкийкристалл» в связи с одновременно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалла.Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это— «мезофаза», что буквально означает«промежуточная фаза».
В товремя существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, иникто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущеев технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидкимкристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.
Тем не менее, уже в первые годы были выяснены многиедругие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидкихкристаллов обладали необычно высокой оптической активностью.
Оптическойактивностью называют способность некоторых веществ вращать плоскостьполяризации проходящего через них света. Это означает, что линейно поляризованныйсвет, распространяясь в таких средах, изменяет ориентацию плоскостиполяризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционаленпути, пройденному светом
Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычныхжидкостях, удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный,независящий от длины волны света знак. Это означает, что вращение плоскостиполяризации света в них происходит в определенном направлении. Против часовойстрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. Приэтом подразумевается, что наблюдение за вращением плоскости поляризацииосуществляется вдоль направления распространения света. Поэтому все оптическиактивные вещества подразделяются на правовращающие(если вращение происходитпо часовой стрелке) и левовращающие(если вращение происходит против часовойстрелки).
В случае оптически активных жидких кристаллов такаяклассификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак)вращения в жидких кристаллах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Ра, например,могла быть положительной, а для более длинноволнового света—отрицательной. А могло быть и наоборот.Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плоскостиполяризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсиязнака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации совершенноне укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.
Удивительными былитакже и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названныххарактеристик, их очень высокая чувствительность к внешним магнитным иэлектрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленныесвойства, необходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности,ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объясненияописанных свойств наиболее существенными оказываются именно структурныехарактеристики жидких кристаллов.
Здесь следует сказать,что в конце девятнадцатого— началедвадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относилиськ открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву связывать соткрытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первыхисследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кристаллы» мы обязаныименно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидкихкристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и втом, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений,обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными.Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкостьбыла невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкоеизменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкиекристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний видобразцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопомоказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопамогли быть видны образования, похожие на нити, в другом— наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем— картина напоминала отпечатки пальцев. Стоялтакже вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?
Время шло,факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа,который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидкихкристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований.Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристалловпринадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложилразделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидкихкристаллов Фридель назвал нематическими, другую смектическими. (Почему такиена первый взгляд непонятные названия дал Фридель разновидностям жидкихкристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же предложил общий термин дляжидких кристаллов— «мезо морфная фаза».Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводяего, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточноеположение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и посвоим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификацииФриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы какподкласс. Когда классификация жидких кристаллов была создана, более островстал вопрос: почему в природе реализуется жидкокристаллическое состояние?Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроскопическойтеории. Но в то время на такую теорию не приходилось и надеяться (кстати,последовательной микроскопической теории ЖК не существует и по сей день),поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученымX. Цохером и голландцем С. Озерном феноменологическойтеории жидких кристаллов, или, как ее принято называть, теории упругости ЖК. В30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили необычныеэлектрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, чторассказанное выше относилось к предыстории жидких кристаллов, ко времени,когда исследования ЖК велись малочисленными коллективами. Современный этапизучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖКсегодняшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался поднепосредственным влиянием успехов в технических приложенияхжидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время былопонято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники,характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляющихничтожные мощности энергии для устройств индикации информации, т. е. связи прибора с человеком, наиболее подходящимиоказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображенияинформации на ЖК естественным образом вписываются в энергетику и габаритымикроэлектронных схем. Они потребляют ничтожные мощностии могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Всеэто предопределяет массовое внедрение жидкокристаллических индикаторов в системы отображения информации,свидетелями которого мы являемся»настоящее время. Чтобы осознатьэтот процесс, достаточно вспомнить о часах или микрокалькуляторах сжидкокристаллическими индикаторами. Но это только начало. На сменутрадиционным и привычным устройствам идут жидкокристаллические системыотображения информации.jkbkчасто бывает, технические потребности не только стимулируют разработкупроблем, связанных с практическими приложениями, но и часто заставляют переосмыслитьобщее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкимикристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсированногосостояния.
Другим важнымобстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионныйхарактер. Это означает, что ответственными за перенос электрического тока вЖК являются не электроны, как в металлах, а гораздо более массивные частицы.Это положительно и отрицательно заряженные фрагменты молекул (или самимолекулы), отдавшие или захватившие избыточный электрон. По этой причинеэлектропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и химическойприроды содержащихся в них примесей. В частности, электропроводность нематикаможно целенаправленно изменять, добавляя в него контролируемо» количествоионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.
Из сказанного понятно,что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов всистеме ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в видешариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в р.больше, чему, представляется совершенно естественным и понятным.Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помехот молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чегои следует ожидать, что продольная проводимость оII будет превосходить поперечную проводимость.
Более того,обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул снеобходимостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь поддействием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, чтополе приложено поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками,будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдольнаправления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрическийток в жидком кристалле должен приводить к переориентации директора.
Экспериментподтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождениятока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуация оказывается нетакой простой, как может показаться на первый взгляд.
Частопостоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результатевозникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периодическое впространстве возмущение ориентации директора. Дело здесь в том, что, говоря обориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока чтопренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в свое движение также и молекулынематика. В результате такого вовлечения прохождение тока в жидком кристаллеможет сопровождаться гидродинамическими потоками, вследствие чего можетустановиться периодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкогокристалла. Вследствие обсуждавшейся впредыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора вслое нематика возникнет периодическое возмущение распределения директора.Подробней на этом интересном и важном в приложении жидких кристаллов явлениимы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.
Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме молекул жидкогокристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такаяаппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти кзаключению, что не для всех соединений приближение молекула-палочка наиболееадекватно их форме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан рядинтересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. Сейчас мыостановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонениемее формы от простейшей молекулы-палочки, проявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.
Интересно, чтооткрытие флексоэлектрического эффекта, как иногда говорят о теоретическихпредсказаниях, было сделано на кончике пера американским физиком Р. Мейером в1969 году.
Рассматривая моделижидких кристаллов, образованных не молекулами-палочками, а молекулами болеесложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себяв макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, чтомолекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, чтоотклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее,сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.
Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричнойформы— типичное явление и связано оно стем, что расположение «центра тяжести» отрицательного электрического зарядаэлектронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центратяжести» положительных зарядов атомных ядер молекулы. Это относительноесмещение отрицательных и положительных зарядов относительно друг друга и приводитк возникновению электрического дипольного момента молекулы. При этом в целоммолекула остается нейтральной, так как величина отрицательного заряда электроновв точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равнапроизведению заряда одного из знаков на величину их относительного смещения.Направлен дипольный момент вдоль направления смещения от отрицательного зарядак положительному. Для грушеобразной молекулы направление дипольного моментапо симметричным соображениям должносовпадать с осью вращения, для банановидной молекулы— направлено поперек длинной оси.
Рассматривая жидкийкристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешнихвоздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разумеется,содержащего большое число молекул объема жидкого кристалла, равен нулю. Этосвязано с тем, что направление директора в жидком кристалле задается ориентациейдлинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направленпо директору в ту и другую сторону— длягрушеобразных молекул, или для банановидных молекул— поперек направления директора в ту и другую сторону, одинаково.В результате дипольный момент любого макроскопического объема жидкогокристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельныхмолекул.
Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце.Стоит путем внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем,изогнуть его, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направленийдипольных моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекули поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это означает, чтовозникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельныхмолекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объемежидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются сферические факторы,т. е. факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковкемолекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором ихдипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сторону.
С макроскопическойточки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкогокристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связанос тем, что при выстраивании диполей на одной поверхности деформированногокристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности— другого знака. Таким обрезом, наличие илиотсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и еедипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только чторассмотренных форм молекул эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметилинаиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул длянаблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем различныедеформации. Грушеподобных молекулы дают эффект при поперечном изгибе, абанановидные— при продольном изгибежидкого кристалла
Предсказанныйтеоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально.Причем на эксперименте можно было пользоваться как прямым, так и обратнымэффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать внем электрическое поле и макроскопический дипольный момент (прямой эффект), нои, прикладывая к образцу внешнее электрическое поле, вызывать деформациюориентации директора в жидком кристалле.
Мы поняли чтотакое жидкие кристаллы, ну а для чего же они нужны?
Электроннаяигра, электронный словарь и телевизор на жк»
Известно, какойпопулярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавливаемыев специальной комнате аттракционов в местах общественного отдыха или фойекинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеевсделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном,так сказать, карманном исполнении. Игра «Ну, погоди!», освоена отечественнойпромышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элементомявляется жидкокристаллический матричный дисплей, на котором высвечиваютсяизображения волка, зайца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющего,нажимая кнопки управления, заставить волка, перемещаясь от желоба к желобу,ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть наземлю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо развлекательного назначения,эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы надисплее «высвечивается» время и может подаваться звуковой сигнал в требуемыймомент времени.
Еще один впечатляющий пример эффективности союзаматричных дисплеев на жидких кристаллах и микроэлектронной техники даютсовременные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они представляютсобой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманныймикрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках икоторые снабжены матричным дисплеем и клавиатурой с алфавитом. Набирая наклавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее егоперевод на другой язык. Представьте себе, как улучшится и облегчится процессобучения иностранным языкам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снабженподобным словарем) А наблюдая, как быстро изделия микроэлектроники внедряютсяв нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легкопредставить и пути дальнейшего совершенствования таких словарей-переводчиков:переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод может бытьи озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию визучении языков и технике перевода.
Требованияк матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываютсязначительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем вописанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным,если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображение наэкране формируется из625 строк (иприблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а времязаписи одного кадра40 мс. Поэтому практическаяреализация телевизора с жидкокристаллическим экраном оказывается более труднойзадачей. Тем не менее, налицо первые успехи в техническом решении и этойзадачи. Так, японская фирма «Сони» наладила производство миниатюрного,умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением иразмером экрана3,6 см. Несомненно, вбудущем удастся создать телевизоры на ЖК как с более крупными экранами, так ис цветным изображением.
Союз микроэлектроникии жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовомизделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним изэтапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит внанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затемв вытравливании с помощью фотографической техники так называемыхлитографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производствапреобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того,насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы,которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше ужеговорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерическихжидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме ипозволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением. Не менееполезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уж нематических) настадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковуюпластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированныйслой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в поляризованном свете картина " вытравленных окон отчетливовизуализируется. Более того, этот методпозволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литографическихработ, 1 протяженность которых всего0,01 мкм.
Некоторое время тому назад необычной популярностью в США пользоваласьновинка ювелирного производства, получившая название «перстень настроения». Загод было продано50миллионов таких перстней, т. е. практически каждаявзрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло вниманиелюбители бижутерии к этому перстню? Оказывается, онобладал совершенно мистическим свойством реагироватьна настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстняследовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного дофиолетового. Вот это сочетание таинственного свойства угадывать настроение,декоративность перстня, обеспечиваемая яркой и меняющейся окраской камешка,плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.
Пожалуй, именнотогда впервые широкие массы столкнулись с загадочным термином «жидкиекристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секретслежения за настроением. Однако ничего толком не было известно, говорилось,только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для читателя, которыйзнаком с жидкими кристаллами, нужно сделать уточнение— на холестерическом жидком кристалле,а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о нихвообще, чтобы раскрыть секрет перстня настроения, необходимо сначалапознакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только отом, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроением человека, но и омногих других удивительных их свойствах и практических применениях.
О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптические эффекты вжидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой ииспользуются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы синдикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкиекристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроенкалькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как назвать такое устройство, то личасы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всегодесятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовыхи эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны. Поэтомустоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов,которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько летпослужат основой создания устройств, которые станут для нас такими жепривычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.
Управляемыеоптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследованийв процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, вчастности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовоесоздание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается струдностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотяпринципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако асвязи со сложностью их производства при современной технологии их стоимостьоказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционныхустройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное нажидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано вувеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит вкинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут бытьреализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, вкоторые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника.Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника,производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главеVII. Теперь же познакомимся с физическимиявлениями, положенными в основу его работы.
Принцип записи изображения очень прост. В отсутствиеподсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практическився разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которуюеще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слоефотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствуетотсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника егопроводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительныеносители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходитперераспределение электрических напряжений в ячейке— теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическомслое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики, изменяютсясоответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяютсяоптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действиясвета. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любойэлектрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выборэлектрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемомэлектрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическимихарактеристиками и чисто технологическими причинами.
Важно, что вописываемом транспаранте изменение оптических характеристикжидкокристаллического слоя происходит локально—в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают оченьвысокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся нателевизионном экране, может быть записан на тр