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液晶材料表面物理——界面效应和锚定能的研究

关荣华  
【摘要】:本文在大量查阅和检索国内外相关资料的基础上,以一级修正后的Papini-Papanlar锚定能公式为基础,用解析推导和数值计算的方法对外场作用下的弱锚定向列液晶盒的物理效应,锚定规律及其所包含的深层的物理意义进行了详细的研究。本文工作主要由以下三部分组成。 1.挠曲电效应对弱锚定向列液晶盒锚定能的影响。 本文用解析推导和数值计算的方法,证明电压作用下的弱锚定向列液晶盒,在不考虑液晶表面层吸附离子的情况下,挠曲电效应同样导致界面锚定能的改变。其表现为产生一项新的表面能。该表面能在上下基板具有相反的符号,这一方面导致了阈值电压和饱和电压的改变并影响了由此确定的锚定能,另一方面将导致液晶指向矢分布对液晶中间层平面对称性的破坏。我们引入了反映对称性破坏的参量△,讨论了△与挠曲电系数e(e=(e_1+e_3)/(k_(11)△ε)~(1/2))的关系。根据e对液晶盒阈值电压及饱和电压的影响,我们提出“等效锚定能”的概念,给出了用实验测定A_(equ)、ζ_(equ)及e的方法。从而使锚定参量的实验测量与实际更吻合。 2.相互垂直的电场和磁场共同作用下的弱锚定液晶盒的物理效应。 本文用解析的方法得到了弱锚定向列液晶盒,在相互垂直的电磁场共同作用下指向矢分布满足的平衡方程和边界条件,通过数值计算,研究了指向矢在阈值点的转变行为。结果表明,除了可以发生通常的二级Fréedericksz转变外,在一定条件下,可以在其内诱导一级Fréedericksz转变。文中给出了发生一级Fréedericksz转变的物理条件。同时,我们证明液晶盒自由能不一定是外场的单值函数。满足力学平衡条件的畸变自由能,可存在两个或更多个取值,即界面可以诱发畸变多解效应的产生。本文给出了能够产生畸变多解的物理条件,它同样与液晶材料有关。这是本文对液晶界面物理效应的一个新发现。 3.弱锚定向列液晶盒能级结构及双稳态。 本文从能量的观点,进一步对弱锚定向列液晶盒能级结构及其宏观表现进行了详细的研究。采用一个较简单的液晶盒,证明了满足力学平衡方程和边界条件的指向矢分布的解有多个,每个解对应于一个确定的能量值,我们称这些分立的能量值为能级。我们详细计算了这些能级,给出了能级分布图及对应的指向矢分布。结果表明,外场作用下的弱锚定向列相液晶盒内可存在三个以上的分立能级,能级的大小及顺序与液晶材料、外场及锚定参量等有关。证明了这些能级对应的态分别是稳态或亚稳态。液晶盒内的能级结构与其表现出的宏观物理效应:一级Freedericksz转变、双稳态之间的关系以及对响应时间的影响在本章也作了讨论。经典的宏观系统有分立能级是一种新的物理现象,具有理论价值和应用价值。


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