Реферат: Реферат по материаловедению
Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики
РЕФЕРАТ
По Предмету
лМатериаловедение
Вариант 4н
Преподаватель:
Лущейкин Г. А.
Москва 2003
1) Что такое жидкокристаллическое вещество (ЖК)? Объясните разницу
между нематической, смектической и холестерической структурой
жидкокристаллических веществ. Приведите примеры применения ЖК. Из чего
изготавливаются прозрачные электроды в ЖК-дисплеях?
Жидкий кристалл Ч это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором
оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо
оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в
жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в
трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или
кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые
органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных
состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние Ч
жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов
некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза,
отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от
температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при
нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же
жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на
них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и
принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных
всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с
жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это Ч
упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это
упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно
существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от
обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих
жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного
порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя
частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой
кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям,
обладают свойством текучести.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными
кристаллами, является лналичие порядка пространственной ориентации молекул.
Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все
длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются
на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Самые УкристаллическиеФ среди
жидких кристаллов - смекатические. Для смекатических кристаллов характерна
двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были
параллельны. Более того, они УпонимаютФ команду УравняйсяФ и размещаются в
стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на
нематических, что поясняет рис. а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно
многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная
память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго
любоваться УпроизведениемФ. Однако эта особенность смекатических кристаллов для
воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не
слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к
примеру, в индикаторах давления.
Упорядоченность нематических
сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно
длинных осей, поэтому упорядоченность становится УодностороннейФ, а реакция на
внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смекатические
плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность
нематиков поясняет рис. б.
Термин Ухолестерические жидкие
кристаллыФ не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым
используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина
и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул
холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их
вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал,
сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические
структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые,
дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.
В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены,
физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет
свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов
образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и
ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых
сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих
слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого
кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор,
который столь активно встраивается в современную электронную технику.
Изучение жидких кристаллов помогает решать проблемы в различных областях
науки и техники.
Например, большинство ученых признают эволюционную идею о развитии жизни на
Земле из неживой материи. На этапе биологической эволюции роль жидких
кристаллов почти не вызывает сомнений. Дело в том, что процессы фотосинтеза,
приведшие к образованию кислородной атмосферы, идут в зелёных растениях с
прямым участием клеточных мембран, строение которых соответствует
смектическому жидкому кристаллу.
Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптике, радиоэлектронике, химии,
биологии.
Например, такие свойства жидких кристаллов, как ориентация их молекул в
электрическом поле, используются при разработке различных оптических
фильтров. Прозрачность этих светофильтров может изменяться в широких
диапазонах, являясь функцией разности потенциалов, подведенной к жидким
кристаллам.
Жидкие кристаллы способны долгое время хранить записанную на них информацию.
Информация, представленная в двоичном коде, электрическим сигналом
записывается на жидкокристаллическую матрицу, в виде участков с изменённым
направлением молекул, т.е. прозрачностью матрицы. Считывание производится
оптическим лазером. Прозрачно окошко или ячейка Ц записан нуль; непрозрачно Ц
единица.
Наиболее широкую известность получили жидкие кристаллы, которые изменяют свой
цвет в зависимости от температуры. С их помощью измеряют температуру, в
частности человеческого тела, проверяют микроэлектронные схемы Ц определяют
надёжность её элементов. С помощью жидких кристаллов можно измерять
температуру не только непосредственно, но и на расстоянии. Это часто
необходимо для регистрации мощности излучения ИК лазеров и СВЧ-антенн.
Уже давно применяется метод регистрации вредных веществ с помощью жидких
кристаллов. Для этой цели созданы холестерики, которые вступают в химическую
реакцию с парами вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и
соответственно цвета плёнки индикатора. Такой индикатор по чувствительности
не уступает многим детекторам, построенным по иным принципам.
Использование жидких кристаллов в системах отображения информации в
современной электронике обусловлено, прежде всего, их чрезвычайно малым
потреблением энергии.
Для изготовления ЖК - дисплеев используют нематические кристаллы. ЖК-
дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные
пластины, между которыми, собственно, и находится тонкий жидкокристаллический
слой. Передняя стеклянная пластина прозрачна; электродами служат прозрачные
электропроводящие пленки (например, двуокись олова). Задний электрод
изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная,
проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля,
золота). На стеклах имеются микробороздки, которые направляют молекулы ЖК,
сообщая им специальную ориентацию. Соприкасаясь с бороздками, молекулы
жидкого кристалла ориентируются в заданном направлении. Прикладывая
низковольтные электрические поля к разным частям ЖК-слоя, можно изменять
ориентацию молекул, получая видимые глазом фигуры, образованные, например,
прозрачными и непрозрачными участками. Стеклянные пластины расположены между
поляроидами, и именно благодаря изменению поляризации распространяющегося
света появляется изображение на экране. В знаково-буквенных дисплеях
токопроводящее покрытие как раз и имеет форму нужного знака. В графических
дисплеях прозрачные токопроводящие электроды имеют вид квадратной сетки, одни
прутья которой находятся на одном стекле, а другие - на другом, и тот
пиксель, который оказывается на пересечении активных электродов, становится
черным, т.е. непрозрачным.
2) Опишите работу твердотельного лазера (на основе монокристалла рубидия).
Какие добавки входят в кристалл и зачем?
По принципу действия Твердотельные лазеры (ТЛ) являются аналогами
парамагнитных лазеров, но в отличие от последних не требуют криогенных
температур, внешнего подмагничивания и когерентности накачки. ТЛ, точно так
же, как и полупроводниковые, которые тоже являются ТЛ, но по традиции
выделены в отдельный класс лазеров), имеют максимальную среди всех лазеров
концентрацию активной среды, что и определяет основные особенности их
поведения эксплуатации. Активная среда состоят из кристаллической матрицы
(диэлектрический кристалл или стекла) и актив- . ных центров, помещенных в
виде примеси в матрицу. В отличие от мазеров ТЛ являются мощными
генераторами. Поэтому к матрице предъявляются требования иметь высокую
теплопроводность и хорошую прозрачность для излучении накачки и сигнала, а
также быть оптически и фотохимически стойкой к интенсивным световым потокам
этих излучений и в импульсном, и в непрерывном режимах. Кроме того, матрица
должна давать такие значения вероятностей безызлучательных релаксационных
переходов для уровней вводимых в матрицу примесных центров, которые
способствуют получению инверсии населенностей уровней сигнального перехода. В
настоящее время известно много десятков кристаллов и стекол, на которых
получено лазерное изучение.
Схематически конструкция твердотельного лазера показана на вышенарисованном
рисунке, где 1- активный кристалл, 2 Ц лампа накачки с блоком питания, 3,4-
зеркала открытого резонатора, 5-устройство управления лазерным излучением.
Видно, что и лампа накачки, и активный кристалл, вследствии большого нагрева,
нуждаются в принудительном охлаждении, которое в данном случае осуществляется
проточной водой, циркулирующей внутри эллиптического целиндра с отражающими
стенками, причем и кристалл, и лампа расположены в фокусах эллипса Ц сечения
целиндра, показанного справа на рисунке. При этом все излучение накачки из
лампы, отражаясь от стенок целиндра попадает на кристалл, где поглащается,
чем и достигает максимальный КПД накачки. Создание таких отражателей, а также
окружение активной средой излучателем, с целью максимального поглощения его
излучения средой, является характерной особенностью, вообще всех
многоуровневых лазерных систем с оптической накачкой.
Принципиальной основой работы лазеров является эффект вынужденного
(индуцированного) излучения. Лазер как генератор светового излучения должен
содержать активную среду, улавливающий свет, и резонатор, осуществляющий
положительную обратную связь между светом и усиливающей средой. Роль активной
среды играет кристалл, содержащий в своем объеме не только йоны рубидия, но
рабочие йоны переходных металлов: хрома, неодима, титана, эрбия, гольмия,
ванадия и т.д.
Рубидий - радиоактивный элемент, он медленно испускает поток электронов,
превращаясь в стронций. Темно-красным этот мягкий, легкоплавкий (плавится при
39
