Mavzu: Suyuq kristallar va ularning fizik xossalari Reja

Suyuq kristallarni o'rganishning yana bir usuli - rentgen nurlari diffraktsiyasi.
Bundan tashqari, suyuq kristallarning xususiyatlarini o'rganish uchun spektral usullar qo'llaniladi, masalan, yadro magnit rezonansi. Va ko'plab usullar mavjud bo'lsa-da va suyuq kristallar uzoq vaqt davomida o'rganilgan bo'lsa-da, ularning ko'pgina xususiyatlari tushunarsiz bo'lib qolmoqda.
Suyuq kristallarda hali topilmagan, ammo mavjudligi taxmin qilinadigan xususiyatlar bormi?
Shunga o'xshash narsa xayolga kelmaydi. 1970-yillarda LC fazalarining ayrim turlarida ferroelektrning paydo bo'lish ehtimoli bashorat qilingan va keyinchalik u haqiqatda kashf etilgan. Endi suyuq kristallarni o'rganishda bir nechta, ta'bir joiz bo'lsa, "moda" yo'nalishlari mavjud. Masalan, bular yuqorida aytib o'tilgan bananga o'xshash molekulalarni o'rganishni o'z ichiga oladi. Birinchi marta olimlar 90-yillarning o'rtalarida ularga qiziqish bildirishgan, ammo hozir qiziqish kuchaygan, chunki bunday suyuq kristallar juda g'ayrioddiy xususiyatlarni namoyish etadilar. jismoniy xususiyatlar, jumladan, masalan, temir elektr energiyasi.
Keling, suyuq kristallarning amaliy qo'llanilishi haqida gapiraylik. Aytaylik, monitor yoki soatlarda ular qanday ishlaydi?
Suyuq kristallar tashqi magnit yoki elektr maydonda osongina o'z yo'nalishini o'zgartirishi mumkin. Ular Supero'tkazuvchilar qoplamali maxsus zonada nozik bir plyonka shaklida qo'llaniladi. Elektr signali qo'llanilganda, suyuq kristalli molekulalar qayta yo'naltiriladi va qoplamaning rangi yoki yorug'lik o'tkazuvchanligi o'zgaradi.
Aytgancha, suyuq kristall displeylarda kristallarning bir turi emas, balki ko'p komponentli aralashma qo'llaniladi (va uning barcha komponentlari suyuq kristall xususiyatlarga ega bo'lishi shart emas). Bu aralashmaning erish nuqtasini xona haroratidan pastga tushirish uchun amalga oshiriladi. Aks holda, bunday displeylar ishlay olmaydi, chunki ulardagi suyuq kristallar qattiq holatda bo'ladi.
Suyuq kristallarning yana qanday maqsadlari bor?
Suyuq kristallar yordamida harorat maydonlarini tasavvur qilish mumkin - haqiqat shundaki, ba'zi suyuq kristallar harorat o'zgarishi ta'sirida rangini o'zgartiradi.
Ammo, umuman olganda, displey texnologiyalari uchun suyuq kristallar bo'yicha tadqiqotlar faoliyatining cho'qqisi o'tgan asrning 80-90-yillarida bo'lgan va hozirda bu nuqtai nazardan ularga qiziqish sezilarli darajada susaygan. Biroq, bu ular bilan hamma narsa allaqachon aniq degani emas. uchun juda katta imkoniyatlar mavjud fundamental tadqiqotlar, va mumkin bo'lgan "displeysiz" ilovalar uchun: optoelektronikada, datchiklarni yaratish, biologiya va tibbiyotda.
Polit.Ru “Ommaviy ma’ruzalar” loyihasi doirasida Aleksey Bobrovskiyning ma’ruzasi videoyozuvi va uning transkripti bilan Polit.ru saytida tanishish mumkin.
Suyuq kristallardagi molekulalarning joylashishi harorat, bosim, elektr va magnit maydonlari kabi omillar ta'sirida o'zgaradi; molekulalarning joylashuvidagi o'zgarishlar rang, shaffoflik va uzatiladigan yorug'likning qutblanish tekisligini aylantirish qobiliyati kabi optik xususiyatlarning o'zgarishiga olib keladi. (Xolesterik-nematik suyuq kristallarda bu qobiliyat juda yuqori.) Suyuq kristallarning ko'plab qo'llanilishi bularning barchasiga asoslanadi.
Bittasi muhim yo‘nalishlar suyuq kristallardan foydalanish -- termografiya. Suyuq kristall moddaning tarkibini tanlab, turli xil harorat diapazonlari va turli dizaynlar uchun ko'rsatkichlar yaratiladi. Masalan, plyonka shaklidagi suyuq kristallar tranzistorlar, integral mikrosxemalar va elektron sxemalarning bosilgan elektron platalariga qo'llaniladi. Noto'g'ri elementlar - juda issiq yoki sovuq, ishlamaydigan - yorqin rangli dog'lar bilan darhol seziladi. Shifokorlar yangi imkoniyatlarga ega bo'lishdi: bemorning terisida suyuq kristalli indikator tezda yashirin yallig'lanishni va hatto o'simtani aniqlaydi.
Suyuq kristallar yordamida inson salomatligi uchun xavfli gamma va ultrabinafsha nurlanish aniqlanadi. Suyuq kristallar asosida bosim o'lchagichlar va ultratovush detektorlari yaratilgan. Ammo suyuq kristall moddalarni qo'llashning eng istiqbolli sohasi axborot texnologiyalari hisoblanadi. Barchaga tanish bo'lgan elektron soatlardan tortib otkritka o'lchamidagi suyuq kristall ekranli rangli televizorlargacha bo'lgan birinchi ko'rsatkichlardan bir necha yil o'tdi. Ushbu televizorlar juda yuqori sifatli tasvirni ta'minlaydi, kamroq energiya sarflaydi.
Rangning haroratga bog'liqligi tibbiy diagnostika uchun ishlatiladi. Bemorning tanasiga ma'lum suyuq kristall materiallarni qo'llash orqali shifokor kasallikdagi to'qimalarni rangi o'zgarishi bilan osongina aniqlashi mumkin, bu to'qimalarda issiqlik miqdori ko'payadi. Shunday qilib, bemorning terisida suyuq kristalli indikator tezda yashirin yallig'lanishni va hatto o'simtani aniqlaydi.
Suyuq kristallar yordamida zararli bug'lar aniqlanadi kimyoviy birikmalar va inson salomatligi uchun xavfli gamma va ultrabinafsha nurlanish. Suyuq kristallar asosida bosim o'lchagichlar va ultratovush detektorlari yaratilgan.
Mikrosxemalar ishlab chiqarish bosqichlaridan biri bu yarimo'tkazgich materialining yuzasiga maxsus niqoblarni qo'llashdan iborat bo'lgan fotolitografiya, so'ngra fotografiya texnologiyasidan foydalangan holda litografik oynalar deb ataladi. Ushbu oynalar keyingi ishlab chiqarish jarayoni natijasida mikroelektronik sxemaning elementlari va ulanishlariga aylanadi. Yarimo'tkazgichning birlik maydoniga joylashtirilishi mumkin bo'lgan elektron elementlarning soni mos keladigan oynalarning o'lchamlari qanchalik kichikligiga bog'liq, mikrosxemaning sifati esa oynaning aniqligi va sifatiga bog'liq. Xolesterik suyuq kristallar yordamida tayyor mikrosxemalar sifatini nazorat qilish haqida yuqorida aytib o'tgan edik, ular ish pallasida harorat maydonini ko'rsatadi va g'ayritabiiy issiqlik chiqishi bo'lgan kontaktlarning zanglashiga olib kelishi mumkin. Suyuq kristallardan foydalanish (hozir nematik) litografik ishlarning sifatini nazorat qilish bosqichida foydali bo'ldi. Buning uchun litografik oynalari chizilgan yarimo'tkazgichli gofretga yo'naltirilgan nematik qatlam qo'llaniladi, so'ngra unga elektr kuchlanish qo'llaniladi. Natijada, in qutblangan yorug'lik chizilgan oynalar naqshlari aniq ingl. Bundan tashqari, bu usul uzunligi atigi 0,01 mkm bo'lgan litografik ishlarda juda kichik noaniqliklar va nuqsonlarni aniqlash imkonini beradi.
Ga qaramasdan katta raqam LCD displeylarning mumkin bo'lgan ilovalari, ularning asosiy qo'llanilishi elektro-optik (EO) qurilmalar bilan bog'liq. Bunday ilovalar uchun LC (nematik) to'rtta zarur xususiyatga ega bo'lishi kerak, xususan: 1) sirtni tartibga solish, 2) elektr maydoni yoki dielektrik anizotropiya orqali direktorni qayta yo'naltirish, 3) yorug'lik polarizatsiyasi tekisligining aylanishi yoki optik anizotropiya va 4) orientatsion. elastiklik (molekulalarning turli burilishlar qobiliyati).
Tasvir barqarorligi, sifati, ruxsati, silliqligi va yorqinligi bo'yicha eng yaxshi natijalarga faol matritsali ekranlar yordamida erishish mumkin, ammo ular qimmatroq. Faol matritsa ekranning har bir katakchasi uchun alohida kuchaytiruvchi elementlardan foydalanadi, ular hujayra sig'imining ta'sirini qoplaydi va ularning shaffofligini o'zgartirish vaqtini sezilarli darajada kamaytiradi. Faol matritsali LCD monitorlarning funksionalligi passiv matritsali displeylarniki bilan deyarli bir xil. Farqi displeyning suyuq kristalli xujayralarini boshqaradigan elektrodlar qatorida. Passiv matritsa holatida turli elektrodlar tsiklik ravishda elektr zaryadlanadi, chunki displey satr satr yangilanadi va elementlarning sig'imlarining zaryadsizlanishi natijasida kristallar asl holatiga qaytishi natijasida tasvir yo'qoladi. konfiguratsiya. Faol matritsa bo'lsa, har bir elektrodga raqamli ma'lumotni (0 yoki 1 ning ikkilik qiymatlari) saqlashi mumkin bo'lgan saqlash tranzistori qo'shiladi va natijada tasvir boshqa signal olinmaguncha saqlanadi. Xotira tranzistorlari shaffof materiallardan tayyorlanishi kerak, bu ular orqali yorug'lik nurlarining o'tishiga imkon beradi, ya'ni tranzistorlar displeyning orqa tomoniga, suyuq kristallarni o'z ichiga olgan shisha panelga joylashtirilishi mumkin. Ushbu maqsadlar uchun nozik kino tranzistorli (yoki TFT) yupqa plyonkalar qo'llaniladi. Bu ekrandagi har bir pikselni boshqaradigan boshqaruv elementlari. Yupqa plyonkali tranzistor haqiqatan ham juda nozik, uning qalinligi 0,1-0,01 mikron. 1972 yilda paydo bo'lgan birinchi TFT displeylarda yuqori elektron harakatchanligiga ega va yuqori oqim zichligini saqlaydigan kadmiy selenid ishlatilgan, ammo vaqt o'tishi bilan amorf kremniyga (a-Si) va matritsalarda o'tish amalga oshirildi. yuqori aniqlik polikristalli kremniy (p-Si) ishlatiladi.
TFTlarni yaratish texnologiyasi juda murakkab va ishlatiladigan tranzistorlar soni juda katta bo'lganligi sababli yaxshi mahsulotlarning maqbul foiziga erishish qiyin. Tasvirni SVGA rejimida 800x600 pikselda va faqat uchta rangda aks ettira oladigan monitorda 1 440 000 ta individual tranzistorlar mavjudligini unutmang. Ishlab chiqaruvchilar LCD panelda ishlamay qolishi mumkin bo'lgan tranzistorlar soniga cheklovlar qo'yishadi. TFT-ga asoslangan piksel quyidagicha joylashtirilgan: uchta rang filtri (qizil, yashil va ko'k) shisha plastinkada birin-ketin birlashtirilgan. Har bir piksel uchta rangli hujayralar yoki pastki piksel elementlarining birikmasidir. Bu, masalan, 1280x1024 o'lchamlari bo'lgan displeyda aniq 3840x1024 tranzistorlar va pastki pikselli elementlar mavjud degan ma'noni anglatadi. 15,1 dyuymli TFT displey (1024x768) uchun nuqta (piksel) o'lchami taxminan 0,0188 dyuym (yoki 0,3 mm), 18,1 dyuymli TFT displey uchun esa taxminan 0,011 dyuym (yoki 0,28 mm). ). IN Yaqinda tranzistor ham polimerdan iborat bo'lgan to'liq polimer piksel yaratilgani haqida xabarlar bor.
Nematik LCD displeylar asosidagi faol matritsali displeylarning keng qo'llanilishiga qaramay, ularning asosiy kamchiligi bor - uzoq dam olish vaqti (o'chirilgandan keyin LCD displeyni o'chirish vaqti). elektr maydoni). Endi ferroelektrik, suyuq kristalli smetikalardan foydalanishga asoslangan tekis, tez almashinadigan displeylarni ishlab chiqarishning tubdan boshqacha texnologiyasi mavjud. Bir qarashda, tezkor qurilmalarni yaratish uchun ko'proq viskoz (nematik bilan solishtirganda) smektik LC fazasi qo'llanilishi g'alati tuyuladi. Bunday smektikaning molekulalari dipol momentga ega va qatlamlarda joylashgan, har bir qatlamda ular qatlam tekisligiga bir xil burchak ostida moyil bo'ladi. Xuddi shu moyillik burchagi molekulalarning dipollarining o'zaro ta'siri - ferroelektrik fazaning mavjudligi tufayli paydo bo'ladi. Elektr maydonining qo'llanilishi dipollarning yo'nalishini teskari tomonga o'zgartirishi mumkin va shunga mos ravishda molekulalarning moyillik burchagi o'zgaradi. Shunday qilib, molekulalar qatlamida dipollar va molekulalarning o'zlarining ikkita mumkin bo'lgan yo'nalishi (elektr maydoni bilan va bo'lmagan) mavjud. Ferroelektrik displeyda yorug'lik polarizatorlari dastlab yorug'lik o'tmaydigan tarzda o'rnatiladi (biri molekulalar direktori yo'nalishiga parallel, ikkinchisi perpendikulyar). Elektr maydoni qo'llanilgandan so'ng, molekulalarning dipollari maydonga parallel ravishda aylanadi va molekulalarning direktori polarizatorga nisbatan ma'lum bir burchakka aylanadi P, yorug'lik esa strukturadan qisman o'ta boshlaydi. Bu holda molekulalarning aylanish vaqti ancha kichik, 1 ms ni tashkil qiladi, bu molekulalarning nematik fazada qaytish vaqtidan 2-3 marta kichikroqdir. Yaponiya elektron kompaniyalari allaqachon LCD ferroelektriklar asosida televizor ekranlarini ishlab chiqdilar.
Bir-biriga nisbatan muayyan tartibda joylashuvni saqlovchi anizotrop shakldagi molekulalardan tuzilgan suyuqliklar - suyuq kristallar deyiladi. Suyuq kristallar molekulalarida xarakterli o‘qlarni aniq ajratib olish mumkin: bunday molekulalarda atomlar tanlangan chiziqlar bo‘ylab (molekulalar-sterjenlar) joylashadi yoki, tanlangan tekisliklarda (molekulalar- disklar) yotadi. Suyuq kristallda, qattiq kristalldagi singari, maxsus yo‘nalish bo‘ylab molekulalarning uzun o‘qi yoki, molekulalar tekisliklari orientirlanadi. Bunda suyuq kristall, haqiqatan, suyuq, xuddi suvdek suyuq bo‘lishi mumkin, ya'ni molekulalarning massalar markazlari to‘g‘ri (kristallik) panjarani hosil qilmaydi, balki, fazoda tartibsiz joylashadi va unda erkin harakatlanishi mumkin.

Alohida yo‘nalishlarning yuzaga kelishi ko‘rsatilgan shakldagi molekulalarning o‘zaro ta'sirlari bilan bog‘liq bo‘lib, bunda tortishish kuchlari ham, itarishish kuchlari ham muhim ahamiyat kasb etadi. Tortishish kuchlari elektr tabiatiga ega, ular elektr jihatdan neytral molekulalar orasida ham yuzaga kelishi mumkin. Atomlarda manfiy zaryadli elektron bulutlarning musbat zaryadli yadrolarga nisbatan tasodifiy siljishlari bunday kuchlarni vujudga keltiradi. Elektrik dipollar deb ataladigan bunday ikki ishorali zaryadlar birlashmasi neytral atomlar atrofida elektr maydonlarni hosil qiladi, ular bu zaryadlarning ajralishini saqlab turadi. Natijada atomlarning turli ishorali zaryadlangan qismlari, demak, butun atomlar ham bir-biriga tortiladi. Molekulada atomlar qancha ko‘p bo‘lsa, molekulalar shuncha kuchliroq tortiladi, shu bilan birga, bitta molekula atomlarining kattagina qismi boshqa molekulaning yoniga yaqinlashishga intiladi, buning uchun esa faqat qo‘shni molekulalarning uzun o‘qlari yoki, tekisliklari parallel bo‘lishi lozim.

Yaqin masofalarda kvant mexanikasi qonunlariga muvofiq molekulalar itarishadi, ya'ni ular bir-birining ichiga kira olmaydi. Shuning uchun, masalan, uncha katta bo‘lmagan hajmga kiritilgan molekula-sterjenlar tasodifiy burilishlarda bir-biriga xalaqit beradi, ya'ni eritmada sterjenlar konsentratsiyasi yuqori bo‘lganda itarishish uchlari ham bunday molekulalarning parallel orientirlanishini yuzaga keltiradi.

Molekulyar eritmaning konsentratsiyasi kichik bo‘lganda yoki yuqori haroratda, issiqlik turtkilari yetarlicha kuchli bo‘ladi, ular molekulalar sistemasining oriyentatsiya tartibini buzib yuborishi mumkin. Haroratning ko‘tarilishi yoki konsentratsiyaning kamayishida albatta shunday payt keladiki, bunda tartibsiz issiqlik harakati zo‘rayib ketadi va suyuq kristall oddiy suyuqlikka aylanadi (eriydi).

Harorat pasayganda u qattiq kristallga aylanadi.

Suyuq kristallardagi maxsus yo‘nalishlarni, qattiq kristallardagi singari, optik o‘qlar deyiladi, chunki ularning mavjudligi bilan bu materiallarning ajoyib optik xossalari (nurning ikkilamchi sinishi, yorug‘likning qutblanish tekisligining burilishi va ho kazo) bog‘langandir. Optik o‘qlari mustahkam mahkamlangan qattiq kristallardan farqli o‘laroq, suyuq kristallarda optik o‘qlarning yo‘nalishi turli ta'sirlar, jumladan, elektr maydon yordamida oson o‘zgartirish mumkin. Suyuq kristallardagi optik xossalarni boshqarish uchun juda kichik kuchlanishlar (1 V ga yaqin) yetarlidir.

Buning sababi shuki, ularning barcha molekulalari o‘zaro bog‘langan va birday orientirlangan, hamma molekulalar o‘z yo‘nalishini o‘zgartirishi uchun, ulardan bittasini burish kifoya.

Bunday elektrooptik effektlar tufayli suyuq kristallar katta amaliy ahamiyat kasb etadi va keng qo‘llanish sohasiga egadirlar. Bunday suyuq kristallardan yupqa (yuzdan bir mikrometrga teng qalinlikdagi) qatlamlari ko‘rinishida, monitorlar va suyuq kristalli displeylar tayyorlashda ishlatiladi.

Xulosa

Xulosa o’rnida shuni aytish mumkinki, hozirgi kunda ilm ishlab chiqaruvchi kuchga aylandi va shuning uchun u yoki bu ob’yekt va hodisaga bo’lgan yuqori ilmiy qiziqishimiz va ob’yekt yoki hodisa xomashyo ishlab chiqarish uchun qiziqish uyg’otishini anglatadi. Bundan suyuq kristallar ham mustasno emas. Ularga bo’lgan qiziqishimiz shundan iboratki, ularni ishlab chiqarish ishlari sohasida samarali qo’llash imkoniyatiga egamiz. Suyuq kristallarni qo’llanilishi iqtisodiy samara, oddiylikv qulaylikni anglatadi. Buning eng keng qullanilga yunalishi –termografiya bo’lib, suyuq kristall moddaning tarkibini yig’ib, har xil temperatura va har xil ko’rinishda indikatorlar yaratiladi. suyuq kristall plyonka ko’rinishida tranzistorlarga, integral sxemalarga va bosma platalarga elektron sxemada o’rnatiladi. Suyuq kristallardan medesinada inson organizmi uchun o’ta xafli bo’lgan, gamma va ul’trabinafcha nurlarni aniqlash mumkin, hattoki suyuq kristal indikator yordamida ko’rinmaydigan kasallik(опухоль) tashhizlarini amalga oshirish mumkin. Suyuq kristallar asosida ul’tratovush detektorlari va bosimni o’lchovchi asboblar yaratilgan. Bu moddaning eng keng qullanilgan tarmog’i bu –informatsion texnika bo’lib, masalan soatlar, termometrlar displeylar, monetorlar , rangli televizor ekranlari shular jumlasisdandir. Bu ishning davomini bitiruv malakaviy ishda batafsil yoritamiz.