ЖЭТФ, 2015, том 147, вып. 5, стр. 10G4 10G7
© 2015
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ И МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИИ НЕМАТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ИТТЕРБИЯ
Л. А. Добруна* А. С. Сахтжий". А. П. Ковшик", Е. И. Рюмцев", И. П. Кололшец". А. А. Князевь, Ю. Г. Галяметдиновь
а Санкт-Петербургский государственный университет 198504, Санкт-Петербург, Россия
ь Казанский Национальный исследовательский технологический университет
420015, Казань, Россия
Поступила в редакцию 31 октября 2014 г.
Определены знак и величина диэлектрической анизотропии парамагнитного нематического жидкокристаллического комплекса на основе иттербия-трис[1-(4-(4-пропилциклогексил)фенил)октан-1.3-дио-но]-[5,5'-ди(гептадецил)-2,2'-бипиридин]иттербия. Получена температурная зависимость компонент диэлектрической проницаемости комплекса в интервале температур существования нематической фазы. Также экспериментально определен знак анизотропии магнитной восприимчивости этого соединения.
DOI: 10.7868/S0044451015050201
В недавно опубликованной работе [1] сообщались первые результаты исследования диэлектрических свойств парамагнитного нематического жидкокристаллического комплекса трис [1- (4- (4-пропилциклогексил) фенил) октан-1,3-ди-оно]-[5,5'-ди(гсптадсцил)-2,2'-бипиридин]иттсрбия Yb(DDk3_5 )зВру17_17. Измерения компонент диэлектрической проницаемости проводились в плоском титановом конденсаторе с расстоянием между электродами 250 мкм. Исследуемое вещество в нематической фазе ориентировалось с помощью магнитного поля напряженностью Н = 5000 Э. Было обнаружено, что при угле 3 = 10° между направлениями ориентирующего магнитного поля и измерительного электрического поля диэлектрическая проницаемость комплекса имеет максимальное значение £i. Минимальное значение диэлектрическая проницаемость е-2 принимала при угле, отличающемся от первого на 90°. Однако в работе не было установлено соответствие между измеренными компонентами £\, е-2 и составляющими диэлектрической проницаемости параллельной ец и перпендикулярной е± направлению преимущественной ориентации молекул
E-mail: l.dobrun'fflspbu.ru
(директору). Причиной этого явилось отсутствие экспериментальных данных о знаке анизотропии магнитной восприимчивости А \ = \ц — и, следовательно, о характере ориентации директора жидкокристаллического образца магнитным полем относительно электрического поля в измерительной ячейке. Поэтому величина и знак диэлектрической анизотропии Де = ец — которая определяет возможность управления ориентацией жидких кристаллов электрическими полями, остались неопределенными. Задачей настоящей работы является нахождение значений ец и а также экспериментальное определение знака и величины анизотропии магнитной восприимчивости нематического жидкокристаллического комплекса
¥1)(ВБкз_5 )зВру17_17.
Для установления связи между измеренными компонентами , £2 и составляющими диэлектрической проницаемости комплекса ец, £± был экспериментально определен знак диэлектрической анизотропии Де. С этой целыо исследовалось воздействие электрического поля на однородно ориентированный образец УЬ(ВВкз_5 )3Вру17_17. Слой жидкого кристалла толщиной 60 мкм помещался между двумя стеклами с нанесенными на них прозрачными проводящими покрытиями. Поверхности стекол были обработаны путем натирания бархатной тка-
ЖЭТФ, том 147, вып. 5, 2015
Рис.1. Микрофотографии (увеличение 40х) пла-нарно ориентированного слоя жидкого кристалла в системе скрещенных поляризаторов: а— направление директора перпендикулярно оси поляризатора; б — направление директора составляет 45° с осью поляризатора
ныо для создания планарной ориентации жидкого кристалла (директор находится в плоскости слоя). Ячейка с образцом располагалась в термостате, на предметном столике поляризационного микроскопа. При вращении предметного столика интенсивность света, проходящего по нормали сквозь слой жидкого кристалла изменялась от минимальной величины (рис. 1«) до максимальной (рис. 16) и наоборот, через каждый поворот на 45°. Это подтверждало то,
Диэлектрическая и магнитная анизотропии ...
что ориентация директора комплекса близка к планарной, поскольку изменение интенсивности происходило в соответствии с выражением для пропускания света через систему, состоящую из скрещенных поляризаторов и находящейся между ними анизотропной пластинки, оптическая ось которой лежит в плоскости пластины:
1 = 1о sin2 2<р • sin2 ^. (1)
Здесь /о интенсивность света, падающего на анизотропную пластинку, tp угол между оптической осыо пластинки и осыо поляризатора, ó разность фаз между вышедшими обыкновенным и необыкновенным лучами.
При приложении к электродам ячейки электрического напряжения величиной до 80 В в диапазоне частот 1 10 кГц переориентация директора жидкого кристалла не наблюдалась. Этот факт однозначно указывает на то, что диэлектрическая анизотропия Yb(DDk3_5 )зВру17_17 отрицательна: As = ец — — s± < 0, так как при Де > 0 в электрическом поле должен происходить поворот директора из планарной ориентации в гомеотропную (директор перпендикулярен плоскости слоя). При этом оптическая ось жидкого кристалла становится перпендикулярной плоскостям скрещенных поляризаторов, и при вращении предметного столика с образцом интенсивность проходящего через слой жидкого кристалла света но изменяется, оставаясь минимальной. Следовательно, можно утверждать, что для изучаемого комплекса компонента еi, которая превышает s-j, является поперечной составляющей диэлектрической проницаемости s±, поскольку, как было показано выше, s± > ец. В этом случае магнитное поле, направленное под углом 10° к электрическому полю при измерении еi = ориентирует директор жидкого кристалла в плоскостях, перпендикулярных направлению электрического поля. Очевидно, что последнее может быть реализовано только при отрицательном знаке анизотропии магнитной восприимчивости парамагнитного комплекса Yb(DDk3_5 )3Bpyi7_i7.
Полученные данные о знаках диэлектрической анизотропии As и анизотропии магнитной восприимчивости А \ исследованного жидкого кристалла позволили определить ориентацию в магнитном поле молекул исследованного комплекса относительно электрического поля в измерительной ячейке (рис. 2). На рис. 2« схематически показано возможное расположенно молекул комплекса в ячейке, помещенной в ориентирующее магнитное поле при измерении компоненты еi = s±. Длинные осп молекул находятся в плоскостях, перпендикулярных
13 ЖЭТФ, выи. 5
1065
Л. А. Добру н, А. С. Сахацкий, А. П. Ковшик и др.
ЖЭТФ, том 147, вып. 5, 2015
Рис.2. Схематическое изображение ориентации молекул под действием магнитного поля в измерительной ячейке: а— магнитное поле направлено под углом ¡3 = 10° к измерительному электрическому полю, 6-/3 = 100°
электрическому полю, однако их направления могут не совпадать, поскольку на электродах ячейки не создавалось направление преимущественной ориентации. Рисунок 2б демонстрирует предполагаемую ориентацию молекул магнитным полем в случае измерения компоненты £2. Длинные молекулярные оси лежат в плоскостях, расположенных под углом 100° к направлению магнитных силовых линий и параллельных электрическому полю. Углы между длинными осями молекул и направлением электрического поля могут варьироваться от 0 до 90° в зависимости от ориентации на поверхности электродов. При равновероятном распределении этих
7.0 •
6.5 - •
6.0 2 € • •
5.5 - © € ©
5.0 4.5 3 0 1 0 1 0 1 0 1
100 105 110 115 120 125 130 135
Т, С
Рис. 3. Температурные зависимости компонент диэлектрической проницаемости е\ = £± (1), £2 (2),
€\\ (3) и 813 (4)
углов подобное расположение молекул относительно электрического поля наблюдается в холестери-ческих жидких кристаллах при измерении диэлектрической проницаемости в направлении, перпендикулярном оси спирали £±}г- Поэтому полагая, что компонента £2 = £±Иу можно оценить продольную составляющую диэлектрической проницаемости £ц с использованием известного соотношения между диэлектрической проницаемостью холестерического жидкого кристалла е±_ь и диэлектрическими прони-цаемостями £ц и [2]:
= (£|| +£±)/2.
(2)
Из выражения (2) следует, что £ц = 2£2 — е±. На рис. 3 представлены температурные зависимости квазистатических значений диэлектрических прони-цаемостей £ц, а также £2, которые использовались для вычисления £ц комплекса. Видно, что величина диэлектрической анизотропии Д£ исследованного комплекса в интервале существования нема-тической фазы находится в пределах 0.2-2.5 и может позволить достаточно эффективно управлять ориентацией директора жидкого кристалла при помощи электрического поля. Теоретическая оценка величины и знака анизотропии магнитной восприимчивости комплекса УЬ(ВВкз_5)3Вру17_17 [3,4], проведенная на основе моделирования пространственной структуры координационного центра, не позволила однозначно установить эти параметры. В зависимости от выбранной модели (куб, вытянутый параллелепипед, сжатый параллелепипед, додекаэдр)
ЖЭТФ, том 147, вып. 5, 2015
Диэлектрическая и магнитная анизотропии
знак анизотропии мог быть как положительным, так и отрицательным. Величина Л \ изменялась от ^45 • Ю-4 см3-моль-1 в случае вытянутого параллелепипеда до +77 • Ю-4 см3-моль-1 для сжатого параллелепипеда, оказываясь равной нулю при кубической структуре координационного центра.
Экспериментальное определение знака анизотропии магнитной восприимчивости комплекса (Л\ < 0) позволило установить геометрическую форму координационного центра вытянутый параллелепипед. Для более точного установления структуры координационного узла необходимо непосредственное измерение величины Д \. определение степени ориеитациоииого порядка и величины анизотропии магнитной восприимчивости индивидуального комплекса. Это может быть предметом дальнейших исследований физических свойств лантанидомезогенов.
Работа выполнена при финансовой поддержке СПбГУ (гранты Ж\-11.37.161.2014, 11.37.145.2014) и Министерства образования и науки РФ (задание .Xi 4.323.2014/К).
ЛИТЕРАТУРА
1. L. A. Dobrun, A. S. Sakliat.skii, А. P. Kovsliik, Е. I. Ryumtsov, A. A. Kuyazov, and Yu. G. Galyauotdiuov, JETP Lett. 99, 133 (2014).
2. Л. M. Влипов, Электра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.