Электроиндуцированные фотонные структуры в холестерических и нематических жидких кристаллах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Дан обзор последних работ, выполненных в лаборатории жидких кристаллов Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН и посвященных фотонным жидкокристаллическим структурам, возникающим под действием электрического поля. Благодаря индуцированной полем пространственной модуляции показателя преломления такие структуры проявляют оптические свойства, характерные для фотонных кристаллов. Обсуждаются два типа структур. Первый тип индуцируется в холестерических жидких кристаллах со спонтанным образованием спирального распределения директора. Рассматривается ориентационный переход в состояние с лежачей спиралью – с осью в плоскости слоя. Второй тип – это однородные слои нехиральных нематических жидких кристаллов, в которых модуляция показателя преломления возникает благодаря эффекту флексоэлектрической неустойчивости. В обоих случаях принципиально важными являются периодические граничные условия ориентации молекул. Рассматриваются как методы формирования граничных условий, так и фотонные свойства структур.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. П. Палто

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

А. Р. Гейвандов

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

И. В. Касьянова

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

Д. О. Рыбаков

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

И. В. Симдянкин

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

Б. А. Уманский

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

Н. М. Штыков

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: serguei.palto@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Schadt M. // Annu. Rev. Mater. Sci. 1997. V. 27. P. 305. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.27.1.305
  2. Hsiang E.-L., Yang Z., Yang Q. et al. // Adv. Opt. Photonics. 2022. V. 14. P. 783. https://doi.org/10.1364/aop.468066
  3. Yin K., Hsiang E.-L., Zou J. et al. // Light Sci. Appl. 2022. V. 11. P. 161. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00851-3
  4. Li X., Li Y., Xiang Y. et al. //. Opt. Express. 2016. V. 24. P. 8824. https://doi.org/10.1364/OE.24.008824
  5. Davis S.R., Farca G., Rommel S.D. et al. // Proc. SPIE. 2010. V. 7618. P. 76180E-1. https://doi.org/10.1117/12.851788
  6. Brown C.M., Dickinson D.K.E., Hands P.J.W. // Opt. Laser Technol. 2021. V. 140. P. 107080. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107080
  7. Coles H., Morris S. // Nat. Photonics. 2010. V. 4. P. 676. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.184
  8. Ortega J., Folcia C.L., Etxebarria J. // Liq. Cryst. 2022. V. 49. P. 427. https://doi.org/10.1080/02678292.2021.1974584
  9. Inoue Y., Yoshida H., Inoue K. et al. // Appl. Phys. Express. 2010. V. 3. P. 102702. https://doi.org/10.1143/apex.3.102702
  10. Palto S.P., Geivandov A.R., Kasyanova I.V. et al. // Opt. Lett. 2021. V. 46. P. 3376. https://doi.org/10.1364/OL.426904
  11. Kasyanova I.V., Gorkunov M.V., Palto S.P. // Europhys. Lett. 2022. V. 136. P. 24001. https://doi.org/10.1209/0295-5075/ac4ac9
  12. Gorkunov M.V., Kasyanova I.V., Artemov V.V. et al. // ACS Photonics. 2020. V. 7. P. 3096. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01168
  13. Shtykov N.M., Palto S.P., Geivandov A.R. et al. // Opt. Lett. 2020. V. 45. P. 4328. https://doi.org/10.1364/ol.394430
  14. Palto S.P. // Crystals. 2019. V. 9. P. 469. https://doi.org/10.3390/cryst9090469
  15. Kopp V.I., Zang Z.-Q., Genack A.Z. // Prog. Quantum Electron. 2003. V. 27. P. 369. https://doi.org/10.1016/S0079-6727(03)00003-X
  16. Kogelnik H., Shank C.V. // J. Appl. Phys. 1972. V. 43. P. 2327. https://doi.org/10.1063/1.1661499
  17. Palto S.P., Shtykov N.M., Kasyanova I.V. et al. // Liq. Cryst. 2020. V. 47. P. 384. https://doi.org/10.1080/02678292.2019.1655169
  18. Вистинь Л.К. // Докл. АН СССР. 1970. Т. 194. № 6. С. 1318.
  19. Williams R. // J. Chem. Phys. 1963. V. 39. P. 384. https://doi.org/10.1063/1.1734257
  20. Бобылев Ю.П., Пикин С.А. // ЖЭТФ. 1977. Т. 72. С. 369.
  21. Пикин С.А. Структурные превращения в жидких кристаллах. М.: Наука, 1981. 336 с.
  22. Барник М.И., Блинов Л.М., Труфанов А.Н. и др. // ЖЭТФ. 1977. Т. 73. С. 1936.
  23. Barnik M.I., Blinov L.M., Trufanov A.N. et al. // J. Phys. France. 1978. V. 39. № 4. P. 417. https://doi.org/10.1051/jphys:01978003904041700
  24. Meyer R.B. // Phys. Rev. Lett. 1969. V. 22. P. 918. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.22.918
  25. Palto S.P. // Crystals. 2021. V. 11. P. 894. https://doi.org/10.3390/cryst11080894
  26. Simdyankin I.V., Geivandov A.R., Umanskii B.A. et al. // Liq. Cryst. 2023. V. 50. № 4. P. 663. https://doi.org/10.1080/02678292.2022.2154865
  27. Палто С.П., Гейвандов А.Р., Касьянова И.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2017. Т. 105. Вып. 3. С. 158. https://doi.org/10.7868/S0370274X17030067
  28. Kasyanova I.V., Gorkunov M.V., Artemov V.V. et al. // Opt. Express. 2018. V. 26. P. 20258. https://doi.org/10.1364/oe26.020258
  29. Gorkunov M.V., Kasyanova I.V., Artemov V.V. et al. // Beilstein J. Nanotechnol. 2019. V. 10. P. 1691. https://doi.org/10.3762/bjnano.10.164
  30. Артемов В.В., Хмеленин Д.Н., Мамонова А.В. и др. // Кристаллография. 2021. Т. 66. № 4. С. 636. https://doi.org/10.31857/S0023476121040032
  31. Непорент Б.С., Столбова О.В. // Оптика и спектроскопия. 1963. T. 14. Вып. 5. С. 624.
  32. Макушенко А.М., Непорент Б.С., Столбова О.В. // Оптика и спектроскопия. 1971. T.31. Вып. 4. С. 557.
  33. Козенков В.М., Юдин С.Г., Катышев Е.Г. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1986. Т. 12. № 20. С. 1267.
  34. Ostrovskii B.I., Palto S.P. // Liq. Cryst. Today. 2023. V. 32. P. 18. https://doi.org/10.1080/1358314X.2023.2265788
  35. Palto S.P., Shtykov N.M., Khavrichev V.A. et al. // Mol. Mater. 1992. V. 1. P. 3.
  36. Palto S.P., Khavrichev V.A., Yudin S.G. et al. // Mol. Mater. 1992. V. 2. P. 63.
  37. Palto S.P., Blinov L.M., Yudin S.G. et al. // Chem. Phys. Lett. 1993. V. 202. P. 308. https://doi.org/10.1016/0009-2614(93)85283-t
  38. Palto S.P., Durand G. // J. Phys. II France. 1995. V. 5. P. 963. https://doi.org/10.1051/jp2:1995223
  39. Palto S.P., Yudin S.G., Germain C. et al. // J. Phys. II France. 1995. V. 5. P. 133. https://doi.org/10.1051/jp2:1995118
  40. Kwok H.S., Chigrinov V.G., Takada H. et al. // J. Display Technol. 2005. V. 1. P. 41. https://doi.org/10.1109/jdt.2005.852512
  41. Shteyner E.A., Srivastava A.K., Chigrinov V.G. et al. // Soft Matter. 2013. V. 9. P. 5160. https://doi.org/10.1039/c3sm50498k
  42. Chen D., Zhao H., Yan K. et al. // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 29332. https://doi.org/10.1364/oe.27.029332
  43. Geivandov A.R., Simdyankin I.V., Barma D.D. et al. // Liq. Cryst. 2022. V. 49. P. 2027. https://doi.org/10.1080/02678292.2022.2094004
  44. Salter P.S., Carbone G., Jewell S.A. et al. // Phys. Rev. E. 2009. V. 80. P. 041707. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.80.041707
  45. Yu C.-H., Wu P.-C., Lee W. // Crystals. 2019. V. 9. P. 183. https://doi.org/10.3390/cryst9040183
  46. Kahn F.J. // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 209. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.24.209
  47. Palto S.P., Barnik M.I., Geivandov A.R. et al. // Phys. Rev. E. 2015. V. 92. P. 032502. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.032502
  48. Link D.R., Nakata M., Takanishi Y. et al. // Phys. Rev. E. 2001. V. 65. P. 010701(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.65.010701
  49. Palto S.P., Mottram N.J., Osipov M.A. // Phys. Rev. E. 2007. V 75. P. 061707. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.75.061707
  50. Xiang Y., Jing H.-Z., Zhang Z.-D. et al. // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 7. P. 064032. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.064032
  51. Škarabot M., Mottram N.J., Kaur S. et al. // ACS Omega. 2022. V. 7. P. 9785. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c00023

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображения решеток, записанных на полиимидной пленке ионным пучком (а), и соответствующие изображения ориентированного этими решетками нематического ЖК в поляризационном микроскопе (б, в) для различных ориентаций поляризатора (P) и анализатора (A) по отношению к направлению натирания R. Справа показано увеличенное СЭМ-изображение одной из решеток с периодом 400 нм. Период крупных решеток (слева) 20 мкм [27]

Скачать (168KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Стадии получения бинарно-ориентирующей поверхности методом ФОА: 1 – наносится оптически изотропная пленка фоточувствительного материала, 2 – облучением линейно поляризованным светом (e – направление колебаний электрического вектора) индуцируется оптическая ось (ОА) в плоскости пленки перпендикулярно вектору поляризации e, 3 – облучением неполяризованным светом через фотошаблон записываются полосы с индуцированной ОА в нормальном к поверхности направлении

Скачать (162KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Иллюстрация индуцированного электрическим полем ориентационного перехода от гранжановской текстуры с вертикальной осью спирали (а) в состояние с деформированной лежачей спиралью (DLH) (б) при условии периодической бинарной модуляции сцепления на нижней поверхности. Переход в состояние DLH происходит при превышении порогового электрического напряжения ~11 В. Слева и справа соответственно показаны распределения директора в xz- и xy- (в центре слоя) сечениях слоя. Цветовая шкала соответствует z-компоненте директора ЖК, который изображен в виде цилиндра

Скачать (305KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение дифракционной картины на длине волны 630 нм при переходе от гранжановской текстуры (а) в условиях бинарного периодического сцепления в состояние с деформированной лежачей спиралью (б) при электрическом напряжении 13 В. Естественный шаг спирали ХЖК – 470 нм, период бинарной модуляции сцепления – 1.5 мкм

Скачать (151KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схема экспериментальной регистрации оптической дифракции (а) и лазерного эффекта (б) при переходе в состояние с деформированной лежачей спиралью: 1 – фотодетектор, 2 – источник электрического напряжения, 3 – подложки ХЖК-ячейки, 4 – область решетки для бинарной ориентации, 5 – зондирующий (а) или возбуждающий (б) лазерный пучок, 6 – направления дифракции (а) или лазерной генерации (б)

Скачать (185KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Экспериментальные зависимости эффективности дифракции от электрического напряжения в процессе электроиндуцированного перехода в состояние с деформированной лежачей спиралью в ХЖК на основе нематической смеси ЖК-1282 (p0 = 465 нм, ⊥= 5.6, || = 15.5, n⊥= 1.510, n|| = 1.678) при периоде бинарной решетки Λ = 0.94 мкм (а): 1 – при увеличении напряжения U, 2 – при уменьшении напряжения U. Эффект лазерной генерации в состоянии с деформированной лежачей спиралью при периоде бинарной решетки Λ = 550 нм в ХЖК на основе E7 (= 13.8, K2 = 6.5 пН, p0 = 260 нм, n⊥= 1.52, n|| = 1.74) (б): 1 – при U = 21.9, 2 – U = 22.5, 3 – U = 22.6, 4 – U = 23.7 В

Скачать (168KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Эффект лазерной генерации в ХЖК на основе E7 в состоянии DLH для различных пространственных периодов бинарной модуляции сцепления ЖК [13]. Cлева: 1 – Λ = 550, 2 – Λ = 560, 3 – Λ = 570 нм; соответствующие напряжения DLH-перехода равны 23.5, 23.1, 22.4 В; лазерный эффект получен при интенсивности оптической накачки 3 МВт/см2 на краях фотонных стоп-зон третьего порядка (m = 3 в уравнении (2)). Справа – лазерный эффект для фотонной стоп-зоны четвертого порядка (Λ = 760 нм): 1–3 соответствуют электрическим напряжениям 16, 16.6, 17 В при интенсивности оптической накачки 0.75 МВт/см2

Скачать (216KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изображения текстуры слоя ХЖК в линейно поляризованном свете (направление вектора e вдоль штрихов бинарной решетки) без анализатора. Слева – электрическое поле выключено. Справа – электрическое напряжение U = 1.75 В, индуцирующее DLH-состояние. На вставке справа – дифракционная картина, наблюдаемая в задней фокальной плоскости микроскопа

Скачать (144KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Распределение директора в центре ЖК-слоя после ориентационного перехода (U = 12 В) в пространственно-модулированное состояние (флексоэлектрическая решетка). Директор ЖК изображен цилиндрами, цветом показано значение его z-компоненты. Исходное распределение директора (при электрическом поле U = 0 В) – однородное планарное с ориентацией вдоль оси y. В направлении x пространственная шкала растянута в 2 раза по сравнению с направлением z

Скачать (134KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Индуцирование флексоэлектрической решетки в условиях бинарного сцепления на одной из поверхностей. Слева – распределение директора (моделирование). Справа – фото в поляризационном микроскопе [26]. Период бинарной ориентационной решетки составляет 5.5 мкм

Скачать (342KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Спектры пропускания в волноводном режиме индуцированной флексоэлектрической решетки: 1 – ТМ-поляризованного света, 2 – ТЕ-поляризованного света. Спектры рассчитаны методом FDTD [25]. Кривая 1 демонстрирует наличие выраженной фотонной стоп-зоны

Скачать (81KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024