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液晶结构和光学特性

发布时间:2021-06-08 11:26:31 浏览量:3711 作者:Richard

正文


液晶相是物质的一种相态,介于固相和液相之间。处在液晶相的物质,同时具有液体和固体的部分性质。液晶物质主要包括某些有机化

合物(例如芳香族化合物)以及它们的混合物。


液晶物质在液晶相和非液晶相之间转变由两种方式。一种是热致液晶,通过温度来控制,温度较低时,液晶物质处在固相(晶体);当

温度上升到一个值时,它便转变成液晶相;当温度继续上升到另一个值时,它又由液晶相转变成液相。对于一般的非液晶物质,在固态

与液态之间几乎不存在过度相态,固态到液态之间转变温度范围很窄。另一种进入液晶相的方式是,将某些化合物的结晶溶解于水或有

机溶液。这种由溶剂破坏原有晶体的晶格而形成的液晶,称为溶致液晶。


液晶分子的结构由明显的方向性。采用简化模型可以把分子看作是一个细长的棒状体,其长度约为纳米级,粗细为亚纳米级,按照分子

排列的特点,液晶可以粗略分为近晶型、向列型和胆甾型等三种类型。


近晶型液晶分子排列的特点是,各分子长轴取向在较大范围内由较好的规律性,各分子的位置在较小范围内也有一定的规律性。液晶分

子大体上按层状排列,每一层内的分子长轴方向相互平行。

向列型液晶分子的位置不再分层排列,但各分子长轴方向仍然大体一致,也呈现类似于单轴晶体的光学性质。

胆甾型液晶分子也分层排列,每一层内分子长轴方向基本一致并平行于分层面,相邻层中分子长轴平均方向逐渐转过一个角度,总体呈

现螺旋结构。

液晶的电光效应

液晶分子在形状、极化率和电导率等方面具有明显的各向异性。当大量液晶分子有规律排列时,其整体的电学和光学性质,如介电常

数,折射率等,也呈现各向异性。若对这种物质施以电场,就会引起分子排列方向和位置的变化,从而导致其光学性质的变化,这就是

液晶的电光效应。液晶的电光效应有电流效应和电场效应两大类。电流效应的典型例子是动态散射效应,电场效应的例子有扭曲-向量

型效应,电控双折射效应,相变效应,宾主效应以及混合场效应等。

1、动态散射效应

对于一定厚度的n型液晶层,当施加在液晶盒上的交变电场频率小于某一临界值,电场强度大于某一临界值时,液晶分子将产生紊乱的

运动,使各处的折射率随时间发生变化,从而使入射光受到散射。这就是动态散射效应。


2、扭曲-向列型效应

线偏光在液晶内传播时,其偏振方向试中于液晶分子层的分子长轴方向一致。因此,当液晶前后各放置一片起偏器和相同偏振方向的检

偏器,经过起偏器的偏振光在液晶中偏振方向发生旋转,再经过检偏器时光强发生改变。在液晶盒上施加适当的电场,由于电场对液晶

分子的取向作用,使得大多数分子的长轴或者沿电场方向排列(p型),或者垂直于电场排列(n型)。这使线偏光基本不受影响(p

型)或受到液晶的双折射的作用(n型)变成椭圆偏振光


无论p型还是n型液晶,在加上电场以后,都会有一部分光能够从检偏器初涉;对于n型液晶,出射光的强弱还可以由外电场来控制。


3、电控双折射效应

如果液晶是n型的,不加电场时液晶分子取向是垂面排列,给液晶加上适当的电场,由于是n型液晶,分子长轴转向沿面排列,即垂直

于外场方向。


若使外场电场强度在一定范围内变化,光轴的倾斜程度也会改变,双折射的异常折射率也会随之改变,由于双折射引起的光偏振态变化

和波长有关,在一定外场下,不同波长的折射率不同,这样在白光入射时,透射光的颜色便会随外场的变化而变化。这个现象可以用来

进行彩色显示。


4、相变效应

p型胆甾型液晶在无外电场时呈分子团结构,各个分子团的取向是杂乱的,因此液晶总体呈现乳白色不透明状态。当加上超过某一阈值

的外电场后,分子团的胆甾型排列被破坏,大部分分子沿外场排列,变成接近于垂面排列的向列型液晶,这时液晶是透明的,这个效应

称为相变效应。


5、宾主效应

如果把多色染料和液晶材料相混合并做成液晶盒,便可以看作宾主效应。多色染料的特点是,当其分子的排列方向不同时,从染料透过

光的颜色也不同。因此当液晶(主)的分子排列方向在外电场作用下发生变化时,与之混合在一起的多色染料(宾)的分子排列方向也

随之改变,从而使投射光呈现出不同的颜色,这就是宾主效应。


6、混合场效应

混合场效应是扭曲-向列型效应和电控双折射效应的结合。


7、铁电液晶的场效应

铁电材料的特点是具有很大的介电常数,并且其介电常数会随外电场大小的变化而变化,结果呈现像磁滞特性那样的电滞特性。也就是

说,在外电场的作用下,铁电材料分子的极化能很快达到饱和,而且撤出外电场后,分子仍有一定的剩余电极矩(即“固有”电极

矩),而电场反向时,会有类似于磁滞现象的矫顽力,当反向电场强度超过一个临界值时,分子的极矩便会很快反向,与外电场同向。


此外,还存在一些其他的电光效应,如变频光栅效应等。


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