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基板表面材料与液晶分子相互作用关系的量子化学定量研究

翟冬  
【摘要】:液晶分子在玻璃基板表面的取向问题以及锚定能的计算一直是液晶显示器件生产当中的重要问题,因此研究界面的作用和在界面附近分子和界面的相互作用关系就显得尤为重要。液晶在显示设备的工业应用依赖于制造商控制液晶分子在基板表面特定取向的能力。而工业上使用最广泛的则是摩擦法,但是关于摩擦处理怎样使液晶分子发生取向的机理目前还没有定论,现在比较流行的方法包括D. W. Berreman提出的沟槽理论和Castellano提出的取向层表面分子链取向理论。沟槽理论认为摩擦会产生密纹或者划痕(microgrooves),这些密纹被叫做沟槽,显示用液晶是长棒分子,只有在沿槽排列时能量最低,所以几何因素占主要地位。Castellano的取向层表面分子链取向理论认为摩擦取向层表面时会导致取向层中的长分子链定向排列,但液晶分子与其接触时会以一种类似晶体外延的方式从取向层表面外延出去,从而对液晶分子取向。 本文采用量子化学计算软件Gaussian03,对5cb分子和PVA为材料的基板之间的相互作用进行量子化学定量研究。分别选取638和383个原子组成的系统用Hartree-Fock方法sto-3g基组对体系进行优化计算,得到最优位型。并在此基础上用表面结合能的计算公式算出此模型当中液晶分子5cb和基板材料PVA之间的结合能,从而为液晶系统表面锚定能的计算提供了定量依据。从我们的计算结果来看,液晶分子的主取向主要是由基板分子长链方向决定的。此外,我们将液晶分子放在基板材料极性较强和极性较弱的两侧,分别计算了液晶分子与基板之间的结合能。结果表明液晶分子与基板极性较强的一侧的相互作用能量约为与极性较弱的一侧的相互作用能量的一倍,分别为15.42kJ/mol和7.91kJ/mol。这个结果与液晶分子5cb本身具有较强的偶极矩的事实是吻合的。


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