Как сделать оптическую ячейку?

Чтобы получить электрооптические эффекты в нематике, необходимо сделать оптическую ячейку. Ячейка, как вы помните, состоит из стекол с нанесенным токопроводящим слоем и жидкого кристалла.

Нематик вы уже получили, теперь примемся за изготовление нужных стекол. Нам понадобятся небольшие стеклянные пластинки размером 40 х 40 мм. Лучше вырезать пластинки из полированного стекла, ибо большую роль в ячейке играет хорошая, ровная поверхность. Если таких стекол нет, то можно воспользоваться обычным оконным стеклом. Обработав острые кромки мелким наждачным бруском или наждачной бумагой, принимаемся за мытье стекол. На стенках не должно быть никаких пятен, пыли. Чем чище они будут, тем более качественными будут результаты.

Промышленное мытье стекол для индикаторов содержит много процедур, но не все из них мы можем осуществить в школьной лаборатории, поэтому ограничимся малым. Положите стекла на 4—5 ч в хромовую смесь (смесь концентрированной серной кислоты H₂SO₄ с водным раствором дихромата калия К₂Сr₂О₇).

Такой смесью химики моют посуду, поэтому найти ее несложно. После хромовой смеси стекла тщательно промывают дистиллированной водой, затем сушат (лучше в сушильном шкафу, предварительно нагретом).

Следующий этап заключается в нанесении на стекло токопроводящего прозрачного слоя. В школьных условиях это, пожалуй, самая сложная процедура. Для этого необходима печь, которую можно нагреть до t = 400—450°С, и немного хлорида олова (SnCl₂). Стекла помещают в верхнюю часть печи и закрепляют, чтобы они держались. В нижней части печи помещают керамическую чашку с хлоридом олова.

Для более качественного нанесения слоя лучше стекла изолировать какой-нибудь вынимающейся прокладкой от керамической чашки. Когда температура в печи достигнет t = 400—450°С, прокладку вынимают (только не обожгитесь!) и пары хлорида олова, поднимаясь вверх, приходят в соприкосновение со стеклянными пластинками. Предполагается следующий ход реакции:

Через некоторое время керамическая чашечка вытаскивается, а стекла остывают. Проверить наличие токопроводящего слоя можно с помощью тестера или авометра. Нанесенная пленка — это проводник.

Теперь у вас есть все для создания оптической ячейки. Чтобы наблюдать ориентационный эффект и лучше представить себе принцип работы цифровых индикаторов на твист-ориентации, надо сориентировать молекулы на поверхности стекол так, чтобы они лежали в плоскости стекла. Самый простой, доступный вам способ заключается в натирании токопроводящих слоев (1) чистым лоскутом ткани.

Для этого надо несильно потереть стекло (2) вдоль выбранного направления (параллельно одной из сторон стекла). Натертые таким образом стекла складывают токопроводящими слоями вовнутрь и разделяют тонкими диэлектрическими прокладками (3). Можно сделать такие прокладки толщиной 10—15 мкм.

Для этого надо вырезать из тонкого полиэтилена две полоски (толщину можно узнать, измерив микрометром) шириной 5—7 мм. Прокладки помещаются так, как это показано на рисунке 77. Мы решили сделать ячейку на твист-эффекте, поэтому не забудьте стекла расположить так, чтобы направления натирания верхнего и нижнего стекол были взаимно перпендикулярны.

Теперь эту конструкцию надо закрепить. Лучше всего это можно сделать, склеив стекла между собой. При склеивании не забудьте оставить два отверстия размером 3—5 мм с противоположных концов ячейки, где нет прокладок.

Одно отверстие необходимо для заливки в него жидкого кристалла, а второе служит для выхода пузырьков воздуха, которые вытесняются нематиком. Можно, конечно, и не заклеивать, а укрепить с помощью липкой изоляционной ленты. Вырежьте ленту шириной с прокладку и над прокладкой несколько раз оберните ею оптическую ячейку.

Первый способ, безусловно, лучше, так как после заполнения ячейки нематиком эти отверстия можно заклеить, чтобы ячейка была герметичной. Герметичность нужна для того, чтобы нематик не вытекал. К тому же смесь МББА и ЭББА весьма неприятно пахнет, и герметичная ячейка защитит вас от этого запаха.

Заполнение ячейки лучше производить в нагретом виде. Стекла и нематик надо нагреть на несколько градусов выше температуры перехода в изотропную жидкость. Поднося капельку расплавленного нематика к отверстию в ячейке, мы видим, как под действием капиллярных сил жидкий кристалл будет втягиваться в ячейку, вытесняя из нее воздух. После того как вся ячейка заполнилась жидким кристаллом, она готова!

На верхнее стекло прикрепляется поляроид так, чтобы направление поляризации совпадало с направлением натирания верхнего стекла, а на нижнее — поляроид, направление поляризации которого совпадает с направлением натирания нижнего стекла.

Если наблюдать электрооптические эффекты в проходящем свете, то «создание» ячейки закончено, а если в отраженном, то за нижним поляроидом необходимо прикрепить обычное плоское зеркало.

Как же наблюдать электрооптические эффекты? Для этого необходим источник постоянного тока, который бы мог создать разность потенциалов с плавной регулировкой от 0 до 30 В. Выводы источника с помощью контактов, которые часто называют «крокодилами», соединяются с токопроводящими слоями. Схема установки приведена на рисунке 78.

Рассмотрим работу схемы в проходящем свете (рис. 79). Если на ячейку (1) направлен свет от электрической лампочки (2) и на ячейке нет напряжения, то свет беспрепятственно проходит через нее и на экране (3) мы видим его в виде пятна (рис. 79, а).

Начнем увеличивать напряжение. При напряжении, равном U_пор, мы увидим, что свет перестал проходить через ячейку, т. е. наступил эффект Фредерикса, и твист-текстура перешла под действием электрического поля в гомеотропную (рис. 79, б). Что происходит при этом со светом, мы подробно уже рассматривали.

Необходимо отметить, что указать точное значение U_пop невозможно, так как оно зависит от толщины слоя жидкого кристалла, чистоты самого кристалла и других факторов, которые в каждом случае могут быть разными, поэтому найти значение U_пор вам предстоит самим. Отключив источник, вы увидите, как через ячейку снова проходит свет. Обратите внимание на то, как быстро происходит эффект Фредерикса.

Тут же можно наблюдать, как влияет деформация стекол оптической ячейки на структуру жидкого кристалла. В случае, изображенном на рисунке 79, а, кроме светового пятна, на экране можно увидеть интерференционную картину. Деформируя стекла оптической ячейки, мы деформируем сам жидкий кристалл, заключенный между стеклами. Чувствительность жидкого кристалла к деформации наблюдается, если проследить за изменением интерференционной картины.

Для наблюдения доменов Капустина—Вильямса и эффекта динамического рассеяния поляроиды не нужны, и мы их снимаем. Это сразу же увеличит интенсивность (яркость) прошедшего через ячейку света. Кроме того, тем, кто не сумел найти поляроиды и тем самым не мог наблюдать ориентационный эффект, ячейка без поляроидов даст возможность наблюдать электрооптические эффекты, связанные с протеканием микротоков через слой жидкого кристалла.

Мы знаем, при увеличении напряженности электрического поля в жидком кристалле возникают микровихри. Если жидкокристаллический образец в это время наблюдать в микроскоп, то можно заметить систему доменов Капустина—Вильямса. Но даже те, у кого нет микроскопа, могут увидеть эти домены опосредованно. Такая система доменов ведет себя как дифракционная решетка, поэтому, наблюдая дифракционную картину на экране, мы можем смело сказать, что видим «работу доменов».