毕业论文液晶的缺陷.doc

液晶中的缺陷摘要：向列相液晶线状条纹并非由杂质所引起，而是由于分子排列上的不连续性(奇异性)引起的。在这些奇异线上指向矢的方向具有不连续性的变化，也就是说在奇异线上指向矢的方向是不确定的。如果液晶中某一处的指向矢由于某种外力的作用偏离了正常的方向，那么在该处附近的一个有限范围之内的各处指向矢，也都将连续地进行一定的调整。夫兰克在1958年提出了向错(disclination)这个名词。但是，液晶中不存在点阵结构，因此向错不像晶体中的位错那样会出现位错面，把晶体分成不同的畴区。在液晶中只是在一点上，或是在一条曲线上可以出现指向矢排列取向的不连续性，从而形成点向错或线向错。但是不会出现面向错。关键字：缺陷、指向矢、向错本文将从分子的层面对液晶的缺陷进行理论分析。前面的那些讨论中，我们一直假定了在整个液晶样品中指向矢是空间位置坐标r的连续函数。但是，实际的情形并非如此。早在20年代初期付瑞代耳(G.Friedel)就认识到这些线状条纹并非由杂质所引起，而是由于分子排列上的不连续性(奇异性)引起的。在这些奇异线上指向矢的方向具有不连续性的变化，也就是说在奇异线上指向矢的方向是不确定的。这种情形与晶体中的位错有类似之处。在晶体中，如果某处阵点上的原子因故失去，或者阵点之间某处多了一个原子，那么原子之间的相互作用力将迫使附近的原子调整它们的位置，从而出现了与正常点阵有差别的位错缺陷。1.构成向错的伏尔特拉(V.Voherra)过程从形貌上看，在晶体中形成位错可以用将晶体切除一块，然后把切面拼接在一起，或者在晶体中作一切口在切口中嵌镶一块正常晶体，这种称为伏尔特拉过程的办法来产生。对于液晶中的向错，让我们在一个完全没有被扰动的液晶中取一曲面，令这个曲面的边界线为L。在没有被扰动之前，液晶的指向矢在各处当然是连续的。设想如图5-1-1那样，把液晶从曲面处分开，使曲面成为两个互相分开但形状和大小却完全相同的曲面和，在和上液晶的指向矢保持分别牢固地锚泊在和上。现在把和两边的液晶绕一条旋转轴作一个大小为的相对转角。在这种相对转动过程中，可能出现一些地区的液晶会被排走而出现真空，也可能出现某些地区液晶被叠加拥挤在一起，出现多余的液晶。在前一种情形下，我们在真空部位填满原来未被扰动的液晶，如果是后一种情形就把多余的液晶取走。然后，让液晶自身由指向矢的相互作用自由张弛到平衡状态。图5-1-1 产生向错的伏尔特拉过程在作相对转动的过程中，在面以外有限距离范围内，液晶的指向矢会进行连续的调整以适应这种转动；而在面上指向矢的取向却出现了不连续性。一般情况下，这种不连续性的排列取向的存在只有在外力作用下才能得以保持。但是，如果相对转角满足 ，的条件，那么和面上液晶指向矢的方向就又恰好处在一条直线上。当m为半整数时，一边的方向是，另一边的方向是；而当m为整数时两边就具有相同的方向。这时即使没有外力的作用，液晶也仍然能够由于指向矢的弹性形变力而保持平衡状态。经过了这样的过程以后，除曲线L以外，液晶各处指向矢的排列取向又恢复了连续性；但是，在曲线L上却出现了奇导性。在曲线L上指向矢的排列取向无法确定，那里是不连续的位置，是一条奇异线。曲线L就是向错线，它的强度规定为m(也有一些作者把2m规定为强度)。关于m的正负符号，习惯上是这样规定的：如果在相对转动后需要取走那一部分叠加在一起多余出来的液晶，那么m规定为正值。反之，如果在相对转动之后需要添进一部分失去的液晶，那么加就规定为负值。在向错线上指向矢的排列取向有不连续的改变，那么能否从液晶中一条闭合路程上指向矢的排列取向，来判断这条闭合路程内部是否包含有向错呢(当然我们假定这条闭合路程本身并不与向错线相交)?答案是：如果包含有半整数强度的向错线，那是可以看出来的；但是，如果包含有整数强度的向错线就判断不出来了。理由是这样：假定我们从闭合路程上的某一点出发，沿着路程来观察指向矢的取向，那么指向矢的方向将是连续地在改变。当走完全程又回到原来出发点的时候，指向矢应该又回到原来出发前的那一条直线的方向。这时可能有两种情形出现。一种情形是m等于整数，在返回原出发点后，指向矢的取向同出发前的取向完全一致。由于这时没有发生任何变化所以我们也无法判断在闭合路程的内部是否包含有向错。由于液晶中的指向矢和是相当的，于是可以出现另一种m等于半整数的情形。在返回原出发点后，我们发现指向矢的取向与出发前发生了的倒转。这样，在取向倒转的位置就需要引进一个分支面。只有在这个分支面上再继续沿闭合路程前进一圈时，才能看出指向矢的全部变化。这一分支面的引进，就可以使我们断定在闭合路程的内部有向错的存在。向错就在分支面的边缘。对于向列相液晶，转动轴可以取在与指向矢相垂直的方向，按照转动轴所取的方向，可以把向错分为轴向向错(radial wedge disclination)或称劈形向错和垂向向错(perpendicular twist disclination)或称扭曲向错两种。前者的转动轴的方向与向错线相平行，而后者的转动轴的方向与向错线相垂直。从图4.1不难看出，沿着一条弯曲的向错线L，轴向向错和垂向向错可以是交替地存在着；但是，在一条向错线L上，向错的强度m各处相同是不变的。图4.2给出了的轴向向错的例子，向错线L与纸面相垂直。图5-1-2 产生向错线的伏尔特拉过程。折线表示指向矢图5-1-2(a)给出了正常液晶中的一个曲面，它的边界线L与纸面相垂直。曲面的上下两面分别为和。图5-1-2 (b)给出了反时针方向转动角()，顺时针方向转动角()，然后将空白区填以正常液晶的情形，图5-1-2 (c)给出了在液晶经过自由张弛之后形成的在向错线周围液晶指向矢的排列情形。图5-1-2(d)给出了转动，转动后取走迭加在一起的多余液晶，然后令其自由张弛达到平衡后的向错线周围液晶指向矢的排列情形。如果把液晶置于交叉偏振片当中而观察透射光，那么凡是在指向矢方向与起偏器或检偏器的偏振方向相同的位置，光都不能透过而呈现黑色。图5-1-3绘出了和向错线情形中出现黑色条纹的位置同指向矢排列取向的关系。可以看出，在向错的周围有两条黑色条纹，而在向错的周围有四条黑色条纹。图5-1-3(b)的辐射式指向矢排列可以用初始时指向矢与平面相平行的伏尔特拉过程得到；而对于图5-1-3(c)的圆形，指向矢排列可以用初始时指向矢与平面相垂直的伏尔特拉过程得到。图5-1-3 在交叉偏振光下观测的向错。向错在中心黑点处。对于垂向向错线我们可以看图5-1-4的例子。图5-1-4 (a)绘出了正常图5-1-4 垂直向错液晶中的曲面(平面)，处为，处为。正常液晶的指向矢是沿轴方向排列。把曲面绕轴旋转角，曲面绕轴旋转角，然后在的区域填入正常液晶并令其自由张弛后，就可以得到图5-1-4 (b)所给出的在平面上各个高度平面上液晶指向矢的投影情形。在平面上，区的指向矢与轴相平行，而在区指向矢却与轴相平行。这里轴是垂向向错线。在的各个平面上，由于弹性力的影响指向矢的取向是从垂直于轴方向连续变向平行于轴方向。因此在的平面上，指向矢的方向与平面成一个角度。图中所画的钉子形代表倾斜着的指向矢，钉子的尖头指向纸面外，钉子的尾部在纸面内部，钉子的长度表现了指向矢与轴之间的倾斜程度。当倾斜角为零时，指向矢与轴相平行；这时钉子与指向矢等长而无头尾之分。当倾斜角为时，指向矢与轴相平行，在图上成为一点。由于和，相对转动了角，因此图5-1-4 (b)给出的是的垂向向错。如果和，每一面都旋转角，那么将出现一条的垂向向错线。在的垂向向错线周围，指向矢的排列将如图5-1-4 (c)所示。这时轴是向错线，因为在轴上方指向矢的方向与在轴下方指向矢的方向相差。胆甾相液晶中的向错类型要多一些。除去由于指向矢的奇异性(不连续性)引起的向错外，还可以由于螺旋轴的奇异性(不连续性)而引起向错。胆甾相液晶中轴向向错的转动轴可以与螺旋轴平行，这种轴向向错称为型。转动轴与螺旋轴相垂直的轴向向错又可以分为转动轴与指向矢n平行的型向错，和转动轴与指向矢n相垂直的型向错。由于转动轴与螺旋轴相平行，所以型向错纯粹是指向矢的奇异点或奇异线，它与向列相液晶中的轴向向错相类似。型向错线是由螺旋轴的奇异性引起的，而不是由指向矢的奇异性所引起，因为转动轴与指向矢n相平行。型向错是螺旋轴与指向矢二者的奇异线。型向错线可以是任意形状的，但是单个的向错线或向错线却必然是直线。2.向列相液晶中的轴向向错线纹影织构用显微镜观测厚层的向列相液晶时，一般不论用不用交叉偏振片都可以看到一些丝状的黑条纹。有些丝纹就漂浮在液晶当中，有些丝纹的两端附着在容器的壁上。用交叉偏振片来观测薄的液晶盒时，经常可以看到在玻璃片表面上有一些奇异点，在奇异点之间有刷子式的黑色条纹相联接。黑刷条纹说明：在这些区域液晶的光轴(指向矢)正好与交叉偏振片之一的光轴相平行，因此光不能透过另一片偏振片。这种结构一般称为“核心结构”，或者称为“纹影织构”(schlieren structure)。“核心”是玻璃表面处的点向错或者是与玻璃表面相垂直的线向错。一个“核心”周围有时出现两条黑刷，有时出现四条黑刷。具有两条黑刷的核心是线向错，而具有四条黑刷的核心一般是点向错。如果转动交叉偏振片，可以看到核心的位置不变，但是黑刷却随着交叉偏振片的转动而转动，有的转动方向相同，有的转动方向相反。黑刷的转动说明围绕核心，液晶的指向矢是在连续地改变着。黑刷条纹转动方向和交叉偏振片转动方向相同的向错是正向错，相反的是负向错。黑刷条纹数目的四分之一是向错的强度m：已观测到的有等四种强度的向错。黑刷条纹所连接的相邻两个核心是具有不同符号的向错，即一个正向错和另一个负向错。在整个样品中，所有向错强度的总代数和趋近于零。经常还可以看到不同符号的向错互相吸引而趋于合并，这在接近于各向同性相与向列相间的转变温度时更为显著。在合并后，两个奇异点(核心)可能同时消失，也可能形成一个强度等于原来两个向错强度的代数和的新向错。如果液晶盒的玻璃表面是经过定向处理的，那么液晶指向矢将沿玻璃片表面作沿面校列。这时会出现另一种黑刷条纹，形成一对一对接近平行的纹影织构。每一对黑刷中的一条要比另一条锐利一些。在某些交叉偏振片的取向位置下，向错间被明确的黑线联贯在一起，同时样品的大部分呈黑色。这样的织构是由于液晶中的反转壁引起的。反转壁与液晶盒表面相垂直，向错就在反转壁当中。图5-2-1是反转壁附近指向矢排列取向的示意图图中的实线给出指向矢的排列取向，虚线给出反转壁的边缘。在反转壁的两侧，液晶指向矢都是沿玻璃片表面作沿面校列。在反转壁内部，指向矢的排列取向是连续地在逐渐改变方向。到达壁中心处，排列取向转了90，因而在壁中心出现一条90线。在反转壁的两侧，指向矢的排列取图5-2-1 反转壁附近液晶指向矢排列取向向发生了180的改变。在交叉偏振片的观测下，一般显示出两条分别处于90线两侧