продольный и поперечный пироэлектрические
эффекты в киральном сегнетоэлектрическом
жидком кристалле
С. В. Яблонскийас* В. В. Боднарчук", Э. А. Сото-Бустамантеь**, П. Н. Ромеро-Хаслерь***, М. 0заки€****, К. Иоги.ши>''1
"Институт -кристаллографии им. А. В. Шубникова Российской академии паук
119333, Москва, Россия
ь Universidad de Chile 1058, Santiago, Chile
'"Department of Electronic Engineering, Faculty of Engineering, Osaka University, 2-1 Yamada-Oka, Suita
Osaka 565-0871. Japan
dShimane Institute for Industrial Technology, Matsue, Japan
e- Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау Российской академии наук 142432, Черноголовка, Московская обл., Россия.
Поступила в редакцию 16 сентября 2014 г.
Сравниваются результаты экспериментального исследования продольного и поперечного пироэлектрических эффектов в киральном сегнетоэлектрическом жидком кристалле. В поперечной геометрии исследовались свободно подвешенные жидкокристаллические пленки. В обеих геометриях образцы проявляли бистабильность, демонстрируя при нулевых напряжениях на электродах устойчивые пироэлектрические сигналы разной полярности. Показано, что бистабильная ячейка на основе свободно подвешенной пленки требует энергетических затрат в 40 раз меньше, чем обычная «сэндвичевая» ячейка.
DOI: 10.7868/S0044451015040175 1. ВВЕДЕНИЕ
Пироэлектрический эффект является одним из старейших физических эффектов известных человечеству [1]. Пироэлектрический эффект наблюдается в кристаллах (или текстурах), принадлежащих к одной из десяти точечных полярных кристаллических групп симметрии или трем предельным. К предельным полярным группам симметрии относятся группы симметрии статического и вращающегося конуса (правого и левого). Симметрийные условия возможности наблюдения пироэлектрического эффекта являются необходимыми условиями, но отнюдь
* E-mail: yabkmskii200o(fflyandex.ru
**Е. A. Soto-Bustamante
***Р. X. Romero-Hasler
****М. Ozaki + К. Yoshino
не достаточными. Так, пироэлектрический эффект практически невозможен в твердых телах с высокой электропроводностью, например, в веществах с металлической проводимостью, даже имеющих полярную группу симметрии. Могут возникнуть также проблемы с регистрацией пироэлектрического эффекта при РЙ(Т) « const в некотором температурном интервале, где РЯ(Т) спонтанная поляризация как функция температуры. Известно, что пироэлектрический эффект по чувствительности и обнаружительной способности значительно уступает эффектам, основанным на рождении электронно-дырочных пар. Например, токовая чувствительность фотоприемника па основе кремния в видимом диапазоне обычно порядка 1 А/Вт, а обнаружитель-пая способность D* = 1 • 1013 см • Гц1/2 • Вт-1 (А = 1 мкм, Т = 300 К). В то же время, для одного из лучших пироэлектриков, титаната свинца, модифицированного лантаном (PZT), максимальная то-
ковая чувствительность по превышает 50 мкА/'Вт, а максимальная обнаружитольная способность 6.4 • 108 см • Гц1/2 • Вт-1 [1]. Однако пироэлектрические приемники обладают важным преимуществом в сравнении с фотонными приемниками. Главное достоинство пироэлектрических приемников это широкий спектральный интервал чувствительности. Для пироэлектрических приемников спектральная чувствительность на единицу падающей мощности зависит лишь от излучатольной способности приемной поверхности, которая на практике может быть близка к излучатольной способности абсолютно черного тела, т. е. близка к единице в широком спектральном интервале от видимой до далекой инфракрасной областей [2,3]. Кроме того, пироэлектрический сигнал пропорционален скорости изменения температуры, которая может быть больше, чем скорость релаксации пространственного заряда. Таким образом, приемники на основе пироэлектрического эффекта, не требуя специального охлаждения, способны регистрировать оптические сигналы в спектральной области, недоступной для современных фотонных приемников. Следует отметить также скоростные характеристики пироэлектрических приемников, позволяющие регистрировать быстрые процессы длительностью порядка сотен пикосокунд [4].
Чаще всего пироэлектрические детекторы используются в так называемой продольной геометрии, когда вектор Пойтинга регистрируемой электромагнитной энергии параллелен спонтанной поляризации и перпендикулярен электродам детектора. В этой геометрии пироэлектрический эффект обладает максимальной вольт-ваттной чувствительностью в сравнении с поперечной геометрией, когда поток регистрируемой мощности перпендикулярен спонтанной поляризации [4]. Интересны применения пироэлоктриков для регистрации импульсного гамма-излучения [5]. Как правило, для регистрации короткого импульса необходима малая емкость чувствительного элемента, что затруднительно в случае использования топких пленок. Именно для регистрации импульсного излучения предпочтительна поперечная геометрия, в которой можно получить датчик, обладающий достаточно малой емкостью и большой апертурой.
Следует также сказать, что хотя пироэлектрический эффект изучен довольно подробно, тем не менее появились работы, учитывающие новые особенности его проявления, такие как пассивное усиление эффекта в условиях, когда пироэлектрическая пленка сформирована на толстой подложке [2,3], а также нелинейный пироэлектрический эффект [6].
В первом случае в определенном частотном интервале существует возможность пассивного усиления синусоидального сигнала по сравнению с ситуацией в свободно подвешенном образце. Второй случай относится к реальной возможности использования пироэлектрического эффекта для прямой конверсии рассеянной тепловой энергии в электрическую энергию [7].
В настоящей работе исследуются продольный и поперечный пироэлектрические эффекты в ки-ральном согнотоэлоктричоском жидком кристалле CS-1029. В поперечной геометрии или в геометрии свободно подвешенных пленок пироэлектрический эффект практически не исследовался [8]. Важной мотивацией изучения пироэлектрического эффекта в такой геометрии является тот факт, что свободно подвешенные пленки не имеют контакта с твердыми подложками. Как известно, массивные подложки значительно ухудшают пороговую чувствительность и отношение сигнал/шум пироэлектрических датчиков [9]. Здесь мы покажем принципиальную возможность детектирования пироэлектрического сигнала в свободно подвешенной согното-элоктричоской жидкокристаллической пленке. Будут приведены сравнительные характеристики пироэлектрического эффекта в двух геометриях.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Приготовление образцов и
жидкокристаллических ячеек
В качестве согнотоэлоктричоского жидкого кристалла использовался оптически активный смокти-чоский жидкий кристалл CS-1029 (Chisso corporation). Эта жидкокристаллическая смесь содержит киральныо молекулы, которые в наклонной смокти-чоской фазе С* обладают спонтанной поляризацией, направленной перпендикулярно директору жидкого кристалла, вдоль смоктичоского слоя, как это следует из соображений симметрии [10]. Жидкокристаллическая смесь CS-1029 имеет следующую последовательность фаз: С г ( — 18 °С) SniC* (73 °С) Sm.l' (85°С) ЛГ* (95°С) /*, с шагом спирали р(25 °С) = 2 мкм, углом наклона молекул к смокти-чоским слоям 9(25 °С) = 25° и спонтанной поляризацией РЯ(25°С) = —41.6 нКул/'см2. Знак «минус» перед спонтанной поляризацией указан согласно принятой конвенции [11]. В этом случае вектор нормали к смоктичоской плоскости h , директор жидкого кристалла п и спонтанная поляризация Р составляют левую тройку векторов. Диэлектрическая прони-
Трапе С2Н3СГН-СН2-О-СНз Цис
( j 11 -,( Н-СН2-О СНз
D55*
N,
N-
О-С НСаНг,
I
СНз
Рис. 1. Химическая формула мезогенного кираль-ного азо-красителя D55*. Показаны геометрические транс- и цис-изомеры азо-красителя
3 • 10
2 • 10"
s, Вт/нм
-4
10"
D i i i 1 1
1 1
0.020 А
0.015 / \
" 0.010 / \ / \ / "
0.005 /\ J \
0 ^^ i -——
250 300 35 Л, нм / /\
2 х 50 / /1 \
1 |
200
220
240
260
280
300 320 Л, нм
Рис.2. Спектральная плотность мощности излучения л вольфрамовой лампы (Т = 2700 °С, Р = = 100 Вт) — кривая 1. Спектральная плотность мощности поглощенного излучения свободно подвешенной пленки, содержащей 1% (по весу) красителя 055* — кривая 2. На вставке: оптическая плотность О свободно подвешенной пленки С 5-1029+1 %055*
цаемость ец = 2.9 и е± = 22.2 на частоте 1 кГц и при температуре 40 °С измерялась в работе [12] с использованием ячеек ЕНС. Для увеличения объемного поглощения излучения в жидкий кристалл добавлялось небольшое количество азо-красителя Б55*, химическая формула которого показана на рис. 1. Азо-краситель Б55* является монотропным кираль-ным иематическим жидким кристаллом с последо-
вательностью фаз Сг (105°С) I* (104°С) N* (64°С) Сг. Данные были получены по наблюдению текстур в поляризационный микроскоп и с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии. Следует отметить, что температура перехода в монотроп-ную нематпческую фазу для D55* не имела определенного значения, а зависела от предыстории и скорости охлаждения образца. Оптическая активность красителя D55* оказалась невелика. Так, например, не удалось индуцировать какую-либо характерную, холестерическую текстуру в нематиче-ском жидком кристалле 5СВ, даже используя достаточно большие концентрации киральной примеси (с = 3.1%, d = 10 мкм) [13]. Одной из особенностей данного типа соединений является возможность их существования в двух изомерных состояниях транс и цис. Более стабильными являются транс-изомеры. Спектр поглощения именно этого геометрического изомера показан на вставке к рис. 2. В эксперименте использовались две различные геометрии: продольная и поперечная. В продольной геометрии в качестве жидкокристаллической ячейки использовались коммерческие «сэндви-чевые» ячейки (ЕНС) толщиной 10 мкм. Внутренние поверхности ячеек были обработаны полиими-дом, индуцирующим планарную ориентацию жидкого кристалла. Жидкий кристалл CS-1029 в изотропной фазе втягивался внутрь ячейки за счет капиллярных сил. Далее жидкий кристалл охлаждали до сегиетоэлектрической фазы и монодомеиизирова-ли с помощью переменного высокочастотного элект
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.