Flexoelektromos instabilitás folyadékkristályokban (munkabeszámoló) Salamon Péter Témavezető: Dr. Éber Nándor MTA Wigner SZFI, Komplex Folyadékok Osztály Budapest, 2012. május 31.
Bemutatkozás Salamon Péter: 2003-2008: BME mérnök-fizikus szak Témavezető: Dr. Éber Nándor
2008-2009: Kent State University, Liquid Crystal Institute (6 hónap) Csoportvezető: Dr. Jákli Antal
2009-jelenleg: ELTE TTK, Fizika Doktori Iskola, MTA Wigner SZFI, MTA Fiatal kutatói ösztöndíj Témavezető: Dr. Éber Nándor
2010: Kent State University, Liquid Crystal Institute (3 hónap) Csoportvezető: Dr. Jákli Antal 2
Folyadékkristályok és flexoelektromosság • Anizotróp folyadék • Nematikus fázis: egytengelyű szimmetria • Lokális szimmetriatengely, direktor: n(r) •
n(r) kölcsönhat E, B mezőkkel • 3 független orientációs deformációtípus
feszítés (K11)
csavarás (K22)
hajlítás (K33)
feszítés (e11)
hajlítás (e33)
Flexoelektromosság: • Orientációs deformáció (feszítés, hajlítás) indukált polarizáció • Nehéz mérni, ellentmondások az irodalomban • Függés a molekulák alakjától
3
Elektrokonvekció, flexoelektromos instabilitás Elektrokonvekció (EC)
• Nemegyensúlyi, disszipatív • n(r) moduláció, töltés szeparáció, konvekció • n-re merőleges (vagy dőlt) csíkok (konvekciós hengerek) • Gyakran észlelt jelenség • Elmélete nehéz, de ismert [1]
Flexoelektromos instabilitás (FD)
• Egyensúlyi deformáció • n(r) moduláció, nincs töltés szeparáció, nincs konvekció • n-nel párhuzamos csíkok • Ritka jelenség • Elméleti leírás: Új, általános [2]
E
n [1] E. Bodenschatz et al., J. Phys. (Paris) 49 1875 (1988)
[2] A. Krekhov et al., Phys. Rev. E, 83, 051706 (2011) 4
Kísérleti módszer O H3C
O O
O
CH2
CH3 7
5
Kísérleti eredmények
1OO8, 22 mHz, 1000 kép/s
6
Kísérleti eredmények 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Kontraszt definíciók
Kontraszt
EC
Fourier amplitúdók összege adott tartományokon
FD
Szórás 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
fázis
EC és FD jól különválasztható időben és Fouriertérben egyaránt 1OO8, 22 mHz, 18 V, 1000 kép/s 7
Kísérleti eredmények A küszöbfeszültség (Vth) meghatározása: 0
• EC és FD csúcsértékei V függvényében
1OO8 22 mHz 0.6 – 30 V
10
15
20
25
30
20
25
30
EC küszöb Kontraszt
• Vth meghatározása extrapolációval
5
0
FD küszöb 0
0
5
10
15
V (Vrms)
8
Kísérleti eredmények
|q| hullámszám nő a frekvenciával
fázis
EC fázisa erősen frekvenciafüggő
q
EC és FD küszöbök átmetszése 30 mHz-en
Vth(Vrms)
Frekvenciafüggés: 10 mHz –től 10 Hz-ig (1OO8) 25 20 15 10 5 0
EC FD
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
EC FD
2.8 2.4 2.0 1.6 1.2
EC FD
0.01
0.1
1
10
Frekvencia (Hz) 9
Kísérleti eredmények
Dőlt konduktív-dőlt dielektromos átmenet
q ( d egységekben)
Elektrokonvekció 50 Hz-ig (1OO8)
4
konduktív
dielektromos
3
2
1
0
10
20
30
40
50
Frekvencia (Hz)
Első kísérleti megfigyelés
10
Kísérleti eredmények • Phase 5, konduktív EC • Kontraszt (C) időfüggése különböző frekvenciákon Kísérlet Elmélet • Normált kontrasztmoduláció vs. f
11
Összefoglalás Mintázatok periódusidőn belüli fejlődésének vizsgálata egy széles frekvenciatartományban
Alacsony frekvencián (f < 1 Hz, Phase 5, 1OO8) EC és FD felvillanásszerű megjelenése → de jól szétválaszthatók időben és q-ban
Átmetszés EC és FD küszöbfeszültségeiben a különböző frekvenciafüggések miatt Az EC – FD mintázatok koegzisztenciája széles frekvenciatartományban az eltérő küszöbök ellenére is Stacioner konduktív EC – felvillanásszerű konduktív EC közti átmenet kísérleti megfigyelése (Phase 5)
Magas frekvencián (f > 1 Hz) A dőlt konduktív – dőlt dielektromos EC közti átmenet első kísérleti megfigyelése (1OO8)
Az elmélettel való kvantitatív összevetéshez anyagi paraméterek ismerete szükséges! → Következő téma
12
K22 meghatározása mágneses Freedericksz-átmenet segítségével Direktor reorientáció Bth küszöbtér felett:
„Csavarás geometria”
Bth
Kii
Irodalomi említés [3]: • Optikai depolarizációmérés – Gond: Mauguin-limit
• Más módszerek ajánlata y
Újdonság: • Pretilt figyelembe vétele dielektromos válasz
• Cellavastagság (d) függés depolarizációmérés [3] R. Stannarius, Handbook of Liquid Crystals, edited by D. Demus et al., Wiley-VCH, Weinheim, (1998) Vol 2., p 65. 13
A direktor profil számolása A direktor és a mágneses mező:
Csavarás + pretilt A szabadenergia-sűrűség:
Euler-Lagrange egyenletek: d dz
f free
d dz
f free
f free
f free
0
f( )
0
1 2
2
f( )
g( )
1 2
2
g( )
a
B 2 cos( ) sin( ) sin 2 ( )
0
0
g( )
a
B 2 cos 2 ( ) sin( ) cos( )
0
0
Peremfeltételek:
(0) 0 (0) 0
(d ) (d )
0
0
(d / 2) 0 (d / 2) 0 14
Szimulációs eredmények • • • •
- csavarszög [deg]
90
60 B/Bth = 0.5 30
B/Bth = 1.5 B/Bth = 5
0 0
d/2
z - tengely
d
Numerikus szimuláció (Matlab) Standard anyag: 5CB állandóival Pretilt: 2 fok küszöbtér pretilt nélkül:
• Cél: effektív dielektromos állandó kiszámítása → Mérhető mennyiség! -3
1.4
pretilt
1.2 d
B/Bth = 5
0
1 a
B/Bth = 1.5
d 1 dz 2 ( z) a sin
( - )/
B/Bth = 0.5
- dőlésszög
x 10
0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
d/2
z - tengely
d
0 0
1
2
B/Bth
3
4
5
1
Mauguin-limit (kvalitatív analízis) • Koleszterikusok: csavardeformáció külső mezők nélkül
• Mauguin-limit feltétele: vagy másképpen:
ahol:
• Kvalitatív analízishez kritikus érték pl.: Pretilt és vastagságfüggés: Bc
16
Pretilt függés, fix d = 30 m • Nincs pretilt: depolarizáció • Nagyobb pretilt: Depolarizáció + kettőstörés!
Vastagság függés pretilt nélkül • Összhang a korábbiakkal • Vékonyabb cella: nagyobb depolarizáció • Hátrány: magasabb küszöbtér
Transzmisszió
• Optikai transzmisszió számolás Müller-mátrix módszerrel • 5CB paraméterek (ne, no) = 633 nm
Transzmisszió
Szimulációs eredmények
17
Kísérleti eredmények • Új, automatizált mérőrendszer:
• Egyidejű dielektromos és optikai mérések T, B, V függvényében • Kinyerhető anyagi állandók 1 cellából: K11, K22, K33, χa, ε||, ε , no, ne, Θ0, γi, ... 18
Kísérleti eredmények • Új, automatizált mérőrendszer:
Egyéb mérések: Mágneses nanorészecskék folyadékkristályokban (Dr. Tóth-Katona Tibor) 19
Kísérleti eredmények Példa: mérés új hajlott törzsű anyagon (DT6PY6E6) 5.5 mérés fit
N N O
O
S
5 O
N
O
O
O
eff
O
4.5
4 0
• Freedericksz-átmenet „feszítés” geometriában • Szimuláció illesztése legkisebb négyzetek módszerével • Anyagi állandók (T = 125◦C)
0.2
0.4
0.6
B[T]
0.8
70
mérés fit
60
[rad]
1
50 40 30 20
K11 5.4 pN
K22
K33
χa
ε||
ε
no
ne
10 pN
7.4E-7
5.9
4.1
1.52
1.78
10 0 0
10
20
Feszültség [ Vrms ]
30
20
Kísérleti eredmények K22 meghatározása „csavarás” geometriában Dielektromos jel • Kicsi, de jól mérhető változás • Jól illeszthető • Ok: pretilt Optikai jel: zajosabb, kevésbé egyértelmű küszöb DT6PY6E6
eff
4.033
eff
(mérés) (fit)
Intenzitás (mérés)
1
4.031
eff
• T = 125◦C • d = 27 m
1.5
Bth 4.029 0.5
K11
K22
K33
5.4 pN
2.4 pN
10 pN
4.027
4.025
0
0.1
0.2
B[T]
0.3
0.4
Intenzitás [önk. egys.]
4.035
0 0.5
21
Összefoglalás A pretilt hatásának elméleti és kísérleti vizsgálata mágneses csavar Freedericksz-geometriában
A rendszer dielektromos és optikai válaszának numerikus modellezése Pretilt figyelembe vétele: → Új dielektromos módszer K22 mérésére → egyszerűbb mérés, könnyebb kiértékelés Új mérőrendszer tervezése és építése Mérés DT6PY6E6 banán nematikuson Szimuláció illesztése rugalmas állandók 1OO8 anyagi állandóinak meghatározása T függvényében megtörtént. 22
Rövidtávú tervek Anyagi állandók ismerete + FD mérések • Az új FD elmélet [2] ellenőrzése • e*=|e11 - e33| meghatározása + mérés új anyagokon • Előzetes eredmények: H2C=HC(H 2C) 8O
1OO8 vs. ClPbis10BB
O O
CH3 O
feszítés (e11)
hajlítás (e33)
O
O
O
e* = 4.7 pC/m
O
Cl
O O
O CH2
e* = 6.4 pC/m
O
7 H3C
O
H2C=HC(H 2C) 8O
[2] A. Krekhov, W. Pesch, Á. Buka, Phys. Rev. E, 83, 051706 (2011) 23
További tervek B és E tér hatása alatt fellépő EC és FD mintázatok vizsgálata • q és Vth függése B-től • B indukált morfológiai változások Előzetes számolások Új mérőállomás építése
24
Konferenciák Előadások: [1] P. Salamon, N. Éber, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of bent-core nematic materials”, APS March Meeting, 2009, Pittsburgh, USA [2] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of bent-core nematic materials”, 1st NSF-OTKA Symposium for Complex Fluids, 2009, Eger [3] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of bent-core and calamitic liquid crystal mixtures”, Slovakian-Hungarian Workshop on Liquid Crystals, 2009, Stára Lesná, Szlovákia [4] P. Salamon, J. Kolacz, N. Éber, A. Jákli, „The effect of pretilt on the twist deformation in a planar cell”, Joint Hungarian - American Workshop on Complex Fluids, 2011, Sopron
Poszterek: [1] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of bent-core and calamitic liquid crystal mixtures”, Workshop on Nonlinear Dynamics 2009, Bayreuth, Németország [2] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of mixtures of a bent-core and a calamitic liquid crystal”, International Liquid Crystal Conference, 2010, Krakow, Lengyelország [3] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Hajlott törzsű és rúd alakú folyadékkristályok dielektromos tulajdonságai”, Fizikus Vándorgyűlés, 2010, Pécs [4] P. Salamon, L. Palomares, N. Éber, Á. Buka, “Pattern formation in a nematic liquid crystal at ultra low frequencies”, Ferroelectric Liquid Crystals Conference, 2011, Niagara Falls, Kanada [5] P. Salamon, L. Palomares, N. Éber, Á. Buka, “Pattern formation in a nematic liquid crystal at ultra low frequencies”, Soft Matter Chemistry Workshop, 2011, Bengaluru, India
25
Publikációk Megjelent (vagy elfogadott) cikkek nemzetközi folyóiratokban: [1] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of mixtures of a bent-core and a calamitic liquid crystal”, Phys. Rev. E 81, 031711 (2010) Hivatkozások: 12 [2] Z. Li, P. Salamon, A. Jákli, K. Wang, C. Qin, Q. Yang, Z. Liu, J. Wen, „Synthesis and mesomorphic properties of resorcyl di[4-(4-alkoxy-2,3-diflorophenyl)ethynyl] benzoate liquid crystals”, Liquid Crystals 37, 427 (2010) [3] M. Majumdar, P. Salamon, A. Jákli, J. T. Gleeson, S. Sprunt, „Elastic constants and orientational viscosities of a bent-core nematic liquid crystal”, Phys. Rev. E 83, 031701 (2011) Hivatkozások: 8 [4] Á. Buka, N. Éber, K. Fodor-Csorba, A. Jákli, P. Salamon“Physical properties of a bent-core nematic liquid crystal and its mixtures with calamitic molecules”, Phase Transitions, (2012) elfogadva
Független/Összes idézet: 17/20
Összegzett impakt faktor: 7.363
Megjelent cikk konferencia kiadványban: [5] N. Éber, P. Salamon, Á. Buka, “Competition between Electric Field Induced Equilibrium and Non-Equilibrium Patterns at Low Frequency Driving in Nematics”, 13th Small Triangle Meeting, Stará Lesná, Slovakia (2012)
Beküldött kéziratok: [6] N. Éber, P. Salamon, L. Palomares, A. Krekhov, Á. Buka, “Temporal evolution and alternation of mechanisms of electric field induced patterns at ultra-low-frequency driving”, (2012) Phys. Rev. E [7] P. Salamon, N. Éber, J. Seltmann, M. Lehmann, J. T. Gleeson, S. Sprunt, A. Jákli, „Dielectric technique to measure the twist elastic constant of liquid crystals - The case of a bent-core material”, (2012) Phys. Rev. E
26
Köszönetnyilvánítás Témavezető:
Dr. Éber Nándor
Dr. Buka Ágnes Dr. Fodor-Csorba Katalin Dr. Laura Palomares Dr. Jákli Antal Dr. Tóth-Katona Tibor Dr. Alexei Krekhov MTA Wigner SZFI Komplex Folyadékok Osztály dolgozói:
Köszönöm a figyelmet! 27
Publikációk Megjelent (vagy elfogadott) cikkek nemzetközi folyóiratokban: [1] P. Salamon, N. Éber, Á. Buka, S. Sprunt, J. T. Gleeson, A. Jákli, “Dielectric properties of mixtures of a bent-core and a calamitic liquid crystal”, Phys. Rev. E 81, 031711 (2010) Hivatkozások: 12 [2] Z. Li, P. Salamon, A. Jákli, K. Wang, C. Qin, Q. Yang, Z. Liu, J. Wen, „Synthesis and mesomorphic properties of resorcyl di[4-(4-alkoxy-2,3-diflorophenyl)ethynyl] benzoate liquid crystals”, Liquid Crystals 37, 427 (2010) [3] M. Majumdar, P. Salamon, A. Jákli, J. T. Gleeson, S. Sprunt, „Elastic constants and orientational viscosities of a bent-core nematic liquid crystal”, Phys. Rev. E 83, 031701 (2011) Hivatkozások: 8 [4] Á. Buka, N. Éber, K. Fodor-Csorba, A. Jákli, P. Salamon“Physical properties of a bent-core nematic liquid crystal and its mixtures with calamitic molecules”, Phase Transitions, (2012) elfogadva
Független/Összes idézet: 17/20
Összegzett impakt faktor: 7.363
Megjelent cikk konferencia kiadványban: [5] N. Éber, P. Salamon, Á. Buka, “Competition between Electric Field Induced Equilibrium and Non-Equilibrium Patterns at Low Frequency Driving in Nematics”, 13th Small Triangle Meeting, Stará Lesná, Slovakia (2012)
Beküldött kéziratok: [6] N. Éber, P. Salamon, L. Palomares, A. Krekhov, Á. Buka, “Temporal evolution and alternation of mechanisms of electric field induced patterns at ultra-low-frequency driving”, (2012) Phys. Rev. E [7] P. Salamon, N. Éber, J. Seltmann, M. Lehmann, J. T. Gleeson, S. Sprunt, A. Jákli, „Dielectric technique to measure the twist elastic constant of liquid crystals - The case of a bent-core material”, (2012) Phys. Rev. E
28
