12.3. 12.3.1. Наноэлектронды құрылғылар және сұйық кристаллды негіздегі жүйелер
Физикалық тұрғыдан заттың агрегаттық күйі молекуланың жылулық қозғалысының орташа кинетикалық энергиясымен және беттен потенциалдық энергияның үзілу қатынасымен анықталады.Ұзақ әрекет етуші күштердің -гравитациялық, электромагниттік күштерден айырмашылығы молекулярлы өзара әрекет етуші күштер қысқа әрекет етуші ,басқаша айтсақ әрекеттің ақырғы радиусына ие. Газдар – бұл заттың бір түрі ,кинетикалық энергиясы үзіліс энергиясынан көп болатын, сондықтан да молекулалардың әсерлесуі кездейсоқ, олардың негізгі қалаулары – бытырап ,шашырап кету, олар оны өте жылдам түрде іске асырады.Сұйықтарда негізінен шектелген аймақ.Олардың молекулалары да жылдам,көршілерінен бөлініп кету үшін, бірақ ұжымның бөлініп кетуге әлсіздеу.Сұйық ұйымның мүшелерінің орташа кинетикалық энергиясы өзара әрекеттің молекулярлы энергиясынан жоғары, бірақ беттің үзіліс энергиясынан төмен.Осы жерде сұйық ортаның басты құрылымы:ағып кету және көлемін сақтап қалу болып табылады. Сұйық ортаның физикалық классикасы ретсіз орта болып табылады.
Қатты денелер ұзақ тәртіпке негізделген. Бұл кезде жылулық сілті молекулалары өзара әрекеттің радиусынан кіші,соның нәтижесінде оларды ұйымның отырықшы мүшелеріне айналдырады.Кейбір сұйықтарда салқындату кезінде біртіндеп аморфты денеге немесе шыны тәрізді күйге,соның нәтижесінде сұйықтарда элементтердің ретсіз ауысуы сақталады,бірақ отырықшылық пайда болып қалады қатты денелердің молекулалары сияқты.Бірақ нағыз қатты денелер бұлар кристалдар,кез келген молекуланың басқаларына қатынасы кристалды жүйенің ортасы бойынша анықталады.Осы алыс ретті деп аталады.Әр мүшенің өз орны бар,элементарлы форманың ұяшығы және монокристаллдың формасы.Көбінесе поликристалды заттар кездеседі,көптеген ұсақ дәнекерленген кристалдардан тұрады.Металлдар,тастар-шектелген заттардың үлкен бөлімі,ал біздің қолданатынымыз- поликристалдылары.
Сұйық криссталдардың басты ерекшелігі заттың агрегаттық күйінің физикалық схемасы бойынша құрастырылады ,жоғарыда айтылып кеткендей. Сұйық криссталдарға негізінен ағу және алыс рет қасиеті тән. Ғылым оны мезофаза деп атайды сонымен қатар аралық фаза деп те атайды.Бейорганикалық химия саласы бұл туралы білмейді.Қандай да бір аралықта сұйықкристалды құрылым суға тән,әсіресе қату нүктесіне жақын температурада.
Су- бұл ерекше заттың түрі. Су аномальді құрылымды спектрге ие ,керек десе өмірдің өзі олсыз болмайды. Судың максималды тығыздығы қату нүктесінен 4 градус жоғарылағанның өзінде ие болады,бұл осындай ерекшеліктегі жалғыз заттың күйі.Сондықтанда мұз ериді ,бірақ батпайды,судың қалыңдығындағы барлық жанды нәрселерді қорғай отырып. Су – универсальді ерітінді. Судың диэлектрлік өткізгіштігі сұйық ортаныңкінен әлдеқайда үлкен. Судың физика–химиялық құрылымына келетін болсақ былай түсіндіріледі,H2O –өмірдің басты идеалды формасы .ал негізінде ол өте күрделі құрылым,құрамы мен формасы әбден ойластырылған ,биологиялық процесстерге әсер етуі температураға тәуелді.
Барлық белгілі сұйық кристалды орталар органикадан келгені анау айтқандай кездейсоқ емес . Қатысушыларға қойылатын негізгі талап,өткір анизотропты форма.Ол гантелтәрізді немесе түзуленген жіп тәрізді молекулалар. Диск тәрізде таралған молекулалы сұйық кристалдар бізге таныс,бағандарға жинақталатын. Күрделі полимерлер клубта айналғанды дұрыс көреді,сондықтан да сұйықкристалдар айналуға қарсы элементтерден тұрады: бензолды сақина.
Сұйық кристалдардың 3 типі: қоспалы, холестиринді, - олар осы кітаптың 8-ші тарауында қарастырылған.
Кристалды сұйықтықтың жеткілікті үлкен көлемдерінде домендер пайда болады, физикалық құрылымы кристалдарға тән.Бірақ ,толығымен кристалды сұйықтық құрылымы кәдімгі сұйыққа тән. Сұйық кристалдардың доменді құрылымы ферромагнитті және сегноэлектрлердегідей заңдылықтармен және себептермен құрылады.Олардың жағдайы пленкаларда өте жылдам өзгереді,сұйықтың және пластинаның өзара әрекет молекуласымен қалыңдығы сәйкес келе отырып жасалынатын қабат.Бұны айта кету өте маңызды,сұйық кристалдың және форма түрлендіретін элементтердің өзара әрекеті сол оңай басқарылатын құрылғыны алып келеді,қазіргі таңда электронды техникаға белсенді еніп жатқан.
Сұйық кристалды күй өте тұрақсыз , сондықтанда сыртқы әсерге сезімтал. Бәрімізге белгілі және бұрыннан қолданылап келе жатқан термооптикалық әсер - ол температураға тәуелді түрде сұйық кристалдың түсін өзгерту болып табылады.Термооптикалық сұйықкристалды пленкалар температураның дәлдігін бірнеше градустан бастап регистрлейді және жылу өрістерін бақылауда қолданылады.Мысалы,медицинада соның көмегімен дененің әр аймағының температурасын анықтауға соның нәтижесінде суық тиген аймақтарды анықтауда қолданылады.Сұйық кристалдар қысымға да сезімтал болып келеді.
Сұйық кристалдар өткір сипатталған:электрөткізгіштік, диэлектрлі өткізгіштікке,майысқақтыққа және көптеген параметрлердің анизотропиясына ие.Бұл параметрлерді басқаруға болады,мысалы электр немесе магнит өрісінің әсерімен,әртүрлі оптикалық эффекттерге қол жеткізе отырып.
Сұйық кристалдағы электр өрісі немесе осы орта арқылы ағып өтетін электр тогы молекулалардың бағытын бақылай алады.Егер сұйық кристалға жеткілікті күште айнымалы токпен әсер етсек,онда сұйық кристалдың молекулалары айнала бастайды. Соның нәтижесінде кавитационды микро құйындар пайда болады.Әрбір бұндай құйын жарыққа ыдыратушы элементтің қатынасы болып табылады.Бұл әсер ортаның лайлануына және боялуына алып келед. Дәл осы эффект индикаторларда қолданылады,екі ғана күй жеткілікті:эффект бар немесе эффект жоқ. Градация енгізуі бар жерде электрооптикалық эффекттің қос сәуле сынуының және оптикалық белсенділігі қолданылады.
Кристалдардың оптикасы кәдімгі оптикадан ерекшелінеді,оны өзіміздің шыны құрылғылармен жұмыс істеген тәжірибемізде біле аламыз,ол жерде үлкен рқлді поляризация атқарады.Әрбір фотон белгілі бір дәрежеде бетке полярлы,таралу бағыты ортогональді. Толығымен жарық ағыны полярлы емес немесе көбінесе айтылатынындай ,полярлы,себебі бөлек фотондардың поляризация күйінің функциясы кездейсоқ.
Сур.12.9
Жарықтың поляризация күйінің ортогональді функциясы
Анизотропты және оптикалық белсенді орталарда толқындар тек белгілі поляризация бойымен-сызықты, шеңбер немесе эллипсті болып таралады,12.9- суретте көрсетілгендей.
Электромагнитті толқындарды электр Е, магнит Н кернеуліктерінің векторымен және толқын векторымен К сипаттауға болады.Бұл барлық векторлар өзара ортогональді. Электромагнитті толқын поляризациясының бағыты кернеуліктің жарық толқынының магнит өрісінің Н бағытын қабылдайды.Сызықты поляризация кезінде осы вектордың кеңістікте таралуы сақталады.12.9a-суретінде көрсетілген. Ал поляризацияның екінші функциясы – шеңберлі. Бұл жағдайда поляризация векторы айналады,толқынның бір периодын толық шеңбер жасай отырып, 12.9б-суретінде көрсетілген.
Поляризацияның айналатын векторын бұранда деп қарастырамыз. Егер бұранда толқын векторына сай кірсе ,онда ол толқынды оң толқын деп атайды,егер осыған кері болса,шықса–онда теріс толқын деп аталады.Оң және теріс шеңберлі поляризациялы толқындар осы функция бойынша ортогональді.Кейбір ижағдайларда эллипсті поляризациялы толқындар пайда болады, 12.9в-суретінде көрсетілген.
Анизотропты ортада тек қана сызықты полярлы толқындар тарала алады.Берілген жарық бағытында тек екі ортогональді поляризация бағыты рұқсат етілген,анизотропты орта параметрлері анықталатын,бұл өте маңызды,электрооптикалық жарық модуляциясы осы жағдаймен тығыз байланысты.Оптикалық белсенді орталарда екі шеңберлі поляризация рұқсат етілген,олар: оң және теріс. Эллипсті поляризация анизотропты ортаға негізделген,белгілі бір жарық жұтылуымен немесе оптикалық оське біросьті анизотропты ортамен сипатталады,сонымен қатар оптикалық белсенділікке де ие.Ортогональдіполяризацияланған толқындардың жылдамдығы әр қарастырған жағдайда әр түрлі.
Төменгі жиіліктіэлектромагнитті өріс –өте үлкен аралықта жарық толқыныныңжылдамдығын өзгертуге қабілетті.Жарықтың фазалық жылдамдығының электр өрісінің кернеулігіне тәуелділігі электрооптикалық эффект деп аталады,теледидарлар мен сұйықкристалды дисплейларда жарықты модуляция жасау үшін қолданылады.