1.5. Как управлять холестерической спиралью

Среди рассмотренных типов жидких кристаллов, пожалуй, наиболее экзотическими оптическими свойствами обладают холестерики. Необычайно тонко организованная спиральная структура холестерических жидких кристаллов (см. рисунок 1.2 в) чрезвычайно чувствительна к самым различным внешним воздействиям. Изменяя температуру, давление, прикладывая электромагнитные поля и механические напряжения, можно существенным образом менять шаг холестерической спирали, а в соответствии с уравнением (1) легко менять цвет холестерика. Огромная чувствительность этих соединений, позволяющая "пробегать" все цвета спектра в интервале 0,01 -0,001 °С. показывает, какие необыкновенные возможности открывает использование этих веществ в качестве высокоэффективных термоиндикаторов.

У большинства холестериков с ростом температуры шаг спирали уменьшается, а следовательно, уменьшается и длина волны селективно отраженного света l_max (рисунок 1.7). Иными словами, каждой из указанных на рисунке 1.7 температур — Т₀, Т₁, Т₂ и Т₃ — соответствует свой цвет. Таким образом, нанося холестерические жидкие кристаллы на поверхности различных объектов, можно получать топографию распределения температуры, что делает их незаменимыми термоиндикаторами и визуализаторами для различного рода применений в технике и медицине. Вводя холестерики в полимерные пленки, то есть получая так называемые капсулированные жидкие кристаллы, можно создавать весьма удобные в обращении пленочные материалы, которые можно использовать в качестве термометров, а также для визуализации и "фотографирования" тепловых полей.

Рисунок 1.7 Температурная зависимость длины волны селективного отражения света l_max слоя холестерического жидкого кристалла — холестерилпеларгоната.

В последние годы разрабатываются смеси холестерических жидких кристаллов, резко изменяющие цвет (а следовательно, и шаг спирали) под действием малых, но опасных концентраций вредных паров различных химических соединений. Такие ЖК-индикаторы могут за очень короткое время (1-2 мин) менять цветовую окраску при превышении допустимой концентрации вредных паров, выполняя таким образом роль своеобразных химических датчиков.

Одним из внешних факторов, с помощью которого можно управлять шагом холестерической спирали, может служить электрическое или магнитное поле. При приложении поля холестерическая спираль начинает постепенно раскручиваться, при этом шаг спирали увеличивается, четко "отслеживая" величину поданного напряжения. А это означает, что можно непрерывно управлять и цветом холестерического слоя жидкого кристалла. При некотором так называемом критическом напряжении поля спираль можно полностью раскрутить, превратив таким образом холестерический жидкий кристалл в нематический (один из видов эффекта Фредерикса).

Часть 2. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы As – Ge – Te согласно варианту 11.

2.1. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы определить фигуративные точки сплавов следующей концентрации:

а) As – 100%, Ge – 0%, Te – 0%;

б) As – 35%, Ge – 15%, Te –50% .

Для определения фигуративных точек воспользуемся правилом «трёх отрезков». Если из точки, лежащей внутри концентрационного треугольника и характеризующей трёхкомпонентный сплав, провести на любую из сторон треугольника две прямые, параллельные двум другим сторонам треугольника, то они разделят эту сторону на три отрезка. При этом длина отрезка, примыкающего к вершине треугольника, по отношению к длине стороны треугольника характеризует состав по компоненту, стопроцентный состав которого лежит на противоположной вершине этой стороны. Отрезок же лежащий между двумя отрезками, граничащими с вершинами, характеризует состав третьего компонента сплава. Согласно этому правилу были определены фигуративные точки А и В для пунктов а) и б) соответсвенно (рис.2.1).

2.2. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы изобразите:

а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию Te, равную 50%;

б) совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотно­шением компонентов Te:Ge =3:1.

Расположение некоторых сплавов в концентрационном треугольнике подчиняется определённым закономерностям, важнейшими из которых являются:

- все сплавы, фигуративные точки которых расположены на прямой, параллельной одной из сторон треугольника, содержат одинаковые концентрации того компонента, которому соответствует вершина, противоположная данной стороне.

- сплавы фигуративные точки которых лежат на прямой, проходящей через одну из вершин треугольника содержат в одинаковом количественном соотношении компоненты, соответствующие двум другим вершинам.

Согласно первому правилу был решён пункт а). Решение представлено на рисунке 2.1 прямой h. Согласно второму правилу была найдена прямая k, являющаяся решением пункта б) и изображённая на рисунке 2.1.

2.3. Напишите фазовые превращения, соответствующие линиям двойных эвтектик, точкам тройных эвтектик и точке перитектики.

Для линий двойных эвтектик (см. рис. 2.2.) запишем:

e1 – E1: L ↔ GeTe + Te;

e2 – E1: L ⇄ As₂Te₃ + Te;

e3 – E2: L ⇄ As + As₂Te₃;

e4 – E3: L ⇄ GeAs₂ + As;

e5 – E4: L ⇄ Ge + GeAs;

e6 – E4: L ⇄ Ge + GeTe;

p – P: L ⇄ GeAs + GeAs₂;

E1 – E2: L ⇄ GeTe + As₂Te₃;

E2 – E3: L ⇄ As + GeTe;

E3 – P: L ⇄ GeAs₂ + GeTe;

P – E4: L ⇄ GeAs + GeTe.

Для линий тройных эвтектик и перитектики:

E1 : L ⇄ Te + As₂Te₃ + GeTe;

E2 : L ⇄ As + As₂Te₃ + GeTe;

E3 : L ⇄ As + GeAs₂ + GeTe;

E4 : L ⇄ Ge + GeAs + GeTe;

P : L+GeAs ⇄ GeAs₂ + GeTe.

2.4. При какой температуре начнет кристаллизоваться сплав состава Ge:As:Te = 50%:40%:10%, если он охлаждается из жидкого состояния.

Сплав указанного состава обозначен на рисунке 2.2 концентрационного треугольника системы точкой C. Пользуясь данными рисунка, находим, что этой точке соответствует температура начала кристаллизации, равная примерно 710 ⁰C.

2.5. Каков состав первых кристалликов, выпадающих при температуре сплава С ? Как будет изме­няться состав жидкой фазы при дальнейшем охлаждении данного соста­ве?

Первыми кристалликами, выпавшими в процессе кристаллизации сплава С, будут кристаллики GeAs. При охлаждении состав жидкой фазы будет изменяться по линии C – E (см рис. 2.2.).

2.6. Определить количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава С при охлаждении его до температуры 700 ⁰C.

Для определения количества твёрдой фазы воспользуемся рисунком 2.2. Как было указано в пункте 2.5. при охлаждении сплава С состав жидкой фазы будет изменятся по линии С – E. Температуре 700⁰С на этой линии соответствует точка D. Обозначим отрезок D – C через x, а отрезок As – С через y. По правилу рычага

.

Из условия известно, что x + y = 5 (кг). Решая два получившихся уравнения совместно относительно x и y, находим, что y = 4 (кг), а х = 1 (кг). Это массы жидкой и твёрдой фаз соответственно при температуре 700⁰С.

2.7. При какой температуре в сплаве состава С начнет выделяться второй компонент? Что это за компонент? Как будет изменяться состав жидкой фазы?

В точке E пересечения линии GeAs – C – E с линией P – E4 начнёт выделяться второй компонент – соединение GeTe. Пользуясь данными рисунка 2.2. находим, что точке E соответствует температура около 620⁰C. Далее состав жидкой фазы будет изменяться по линии P – E4 до точки Р

2.8. При какой температуре закончится кристаллизация жидкой фа­зы сплава C ? Какое фазовое превращение протекает при этой температуре? Каков состав последней капли рас­плава?

Кристаллизация жидкой фазы сплава С закончится в точке перитектики Р, где вся жидкость перейдёт в смесь твёрдых кристаллов:

L + GeAs ⇄ GeAs₂ + GeTe.

Пользуясь данными рисунка 2.2. находим, что точке P соответствует температура около 600 ⁰C. Состав последней капли расплава так же определяется точкой P. Ей соответствует 25% As, 32% Te и 43% Ge.

.

2.9. Укажите на концентрационном треугольнике составы сплавов системы Аs-Ge-Te, испытывающих при кристаллизация два нонвариантных превращения (эвтектическое и перитектическое).

Сплавы, испытывающие при кристаллизации два нонвариантных превращения (эвтектическое и перитектическое) находятся внутри треугольника GeTe – P – GeAs.

2.10.-2.11. По диаграмме состояния системы Аs-Ge-Te постройте по­литермический разрез системы с постоянным содержанием Te, равным 50%. Используя политермический разрез, постройте кривые охлаж­дения двух выбранных Вами сплавов.

Решение представлено на рисунке 2.4.

2.12. К какому классу полупроводниковых соединений относится фаза GeTe? Какова особенность зонной структуры данного соединения и где применяются полупроводники данной группы?

Фаза GeTe относится к классу полупроводниковых соединений типа A^IVB^VI. Согласно диаграмме, мы имеем дело с низкотемпературной модификацией соединения GeTe (T_пер ≈ 700⁰C), решётка у которой орторомбическая. Соединения A^IVB^VI - узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны у которых мала. Зонная структура этих полупроводниковых соединений более сложная, чем зонная структура алмазоподобных полупроводниковых соединений. Отличительной особенностью является то, что максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости располагаются на краю зоны Бриллюэна в направлении [111]. Характерной особенностью данных соединений является то, что примесные уровни у них сливаются с краями основных зон (E_c и E_v). Это приводит к тому, что концентрация носителей заряда в таких полупроводниках практически не зависит от температуры (от очень низких и до температуры T > 300 K, когда наступает собственная электропроводность). Величина запрещённой зоны у соединений A^IVB^VI возрастает с увеличением температуры вплоть до 500 K. Соединение GeTe является односторонней фазой, так как в ней имеется избыток компонента Te, что приводит к тому, что нелегированный кристалл такого соединения обладает дырочным типом проводимости.

Соединения А⁴В⁶ находят широкое применение в качестве фоточувствительных элементов в инфракрасной области спектра.

2.13. Какие промежуточные фазы называются бертоллидами и какие дальтонидами? К какому типу фаз относятся рассматриваемые в системе Аs-Ge-Te?

Промежуточные фазы, характеризующиеся широкой областью гомогенности, представляющие собой твердые растворы на основе действительно существующих химических соединений, называются дальтонидами.

Промежуточные фазы, характеризующиеся широкой областью гомогенности, представляющие собой твердые растворы на основе несуществующих, «мнимых» химических соединений, называются бертоллидами.

Рассматриваемые в системе As-Ge-Te промежуточные фазы являются дальтонидами (см. рис. 2.3.).

Рисунок 2.3. Области гомогенности твердого раствора системы Аs-Gе-Te.

Заключение

Итак, жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.

Недавно открыты и интенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет активное исследование гибкоцепных элементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике, информатике, голографии и т. п.).

Литература:

1. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N11. С.37-46.

2. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы - М.:Мир, 1980 с.344

3. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. - Минск:Изд-во НПООО "Микровидеосистемы", 1998 с.238

5