Delist.ru

Микрополосковые резонаторы и их применение для исследований диэлектрических свойств жидких кристаллов (07.09.2007)

Автор: Дрокин Николай Александрович

Дрокин Николай Александрович

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Красноярск – 2007

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Беляев Б.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Найден Е. П.

доктор физико-математических наук, профессор Подопригора В. Г.

доктор физико-математических наук, профессор Слабко В. В.

Ведущая организация:

Томский государственный университет (г. Томск)

Защита состоится (___( января 2008 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 003.005.01 в Институте Физики им Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физики

им Л.В.Киренского СО РАН.

Автореферат разослан "____" ____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.005.01

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется необходимостью измерений комплексной диэлектрической проницаемости (ДП) жидких кристаллов (ЖК) для решения как фундаментальных, так и прикладных задач в различных областях физики и техники. Для обеспечения гарантированной точности и достоверности определения электрофизических характеристик, требуется соответствующая инструментальная база, учитывающая специфические особенности диагностируемых материалов. Это заставляет критически взглянуть на многие, ставшие уже классическими, методы измерений диэлектрических характеристик на основе коаксиальных или волноводных линий передач и обратиться к еще мало изученным, но уже положительно зарекомендовавшим себя устройствам на основе микрополосковой техники. Основное достоинство микрополосковых устройств – их миниатюрность и, как следствие, высокая чувствительность, а также простота в изготовлении, гибкие функциональные возможности и разнообразие конструкторских решений. Разработка и применение микрополосковых измерительных устройств может рассматриваться как новое дополнение к волноводным методам диэлькометрии, призванное лучше освоить наиболее трудный для диэлектрических измерений дециметровый диапазон длин волн.

В то же время для детального изучения ЖК требуется определенная методическая и методологическая деятельность, необходимая для анализа и понимания полученных результатов. На данном этапе главный акцент исследований ЖК переместился в область более глубокого изучения молекулярных механизмов формирования жидкокристаллических структур, которые определяются химическим строением молекулярного остова, полярными группами и гибкими алкильными цепями. Естественно, что такие многоатомные мезогенные молекулы имеют большое число степеней свободы вращательных и трансляционных движений, которые определяют равновесную конформацию, а вместе с ней форму и физические свойства жидких кристаллов. Это, в свою очередь, приводит к «размытию» частотных диэлектрических спектров, что существенно затрудняет процесс установления связи между измеряемыми макроскопическими свойствами мезофаз и такими микроскопическими характеристиками, как времена диэлектрической релаксации молекул. Хорошо известно, что «размытые» диэлектрические спектры наилучшим образом описываются с помощью функции непрерывного распределения времен релаксации (ФРВР). Построить микроскопическую модель сложных молекулярных релаксационных движений удается лишь в исключительных случаях, поэтому в мировой практике особую актуальность приобретают разрабатываемые в настоящее время численные методы восстановления ФРВР непосредственно из экспериментально измеряемых дисперсионных спектров. Развитие и совершенствование этих методов может обеспечить более совершенный анализ диэлектрических спектров и лучшее понимание процессов диэлектрической релаксации и молекулярной динамики ЖК. Учитывая тот факт, что жидкие кристаллы – это большой, постоянно увеличивающийся класс соединений, разработка новых диэлектрических методов их диагностики на основе микрополосковой техники и исследование их диэлектрических свойств в СВЧ диапазоне являются важными и актуальными задачами.

Состояние вопроса к началу исследований по теме диссертации.

Жидкий кристалл – это совершенно новый объект исследований, методика диэлектрических измерений которого начала развиваться на рубеже 70-80-х годов. На начальном этапе большинство исследователей ограничивались определением диэлектрических характеристик ЖК в области радиочастот от 0 до 30 – 50 МГц. В то же время важность и актуальность диэлектрических исследований ЖК в СВЧ-области была совершенно очевидна, особенно в наиболее трудном для эксперимента дециметровом диапазоне длин волн, где проявляется дисперсия ДП, выявляются специфические резонансные и релаксационные явления для большинства ЖК. Как показали предварительные измерения дисперсии некоторых ЖК, проведенные лишь на нескольких фиксированных частотах, диэлектрические спектры зачастую не подчиняются классической дебаевской зависимости с одним временем релаксации. Такие «размытые» диэлектрические спектры анализировались, как правило, графическим методом «Коула-Кола», в котором взаимосвязанные компоненты (((() и (((() аппроксимировались подходящим числом независимых релаксационных процессов с определенными временами релаксации. Однако данные различных авторов зачастую не совпадали.

Таким образом, разработка новых высокочувствительных измерительных устройств на основе микрополосковой техники и развитие численных методов анализа диэлектрических спектров являются своевременными и важными задачами, решение которых позволит получить новые данные о диэлектрических свойствах ЖК.

Целью и основными задачами настоящей работы являются:

( Разработка и применение СВЧ-датчиков на основе микрополосковых резонаторов для диэлектрических измерений ЖК в широком диапазоне частот (0,1 ? 9 ГГц), температур (0 ? 90(С), внешнего электрического напряжения (U = 0 ( 100 В) и магнитных полей (Н = 0 ? 3000 Э).

( Развитие новых численных методов и подходов для анализа диэлектрических спектров с целью установления связи измеряемых макроскопических диэлектрических характеристик с молекулярной структурой и молекулярной динамикой различных групп нематических ЖК.

В процессе выполнения работы ставились и решались следующие основные задачи:

1. Поиск новых технических решений, направленных на создание специализированных диэлькометрических устройств на основе микополосковой техники, служащих для измерений комплексной диэлектрической проницаемости малых объемов жидких кристаллов и других веществ.

2. Разработка новых методов и способов диэлектрических измерений, основанных на использовании неэквидистантного спектра собственных частот и полюса затухания микрополосковых резонансных датчиков для измерений как малых ((( 2 ? 3), так и больших ((( 20 ? 80) величин диэлектрической проницаемости анизотропных сред.

3. Исследование высокочастотной действительной и мнимой компонент ДП нематических ЖК класса алкилцианобифенилов, оксицианобифенилов, смесей и композитов с различной длиной подвижных алкильных групп, структурой молекулярного остова, типом жидкокристаллического упорядочения, величиной и знаком диэлектрической анизотропии с целью тестирования правильности работы измерительных устройств и получения новой информации о диэлектрических свойствах ЖК.

4. Развитие положений теории и методов анализа спектров ДП веществ и создание новых алгоритмов для определения ФРВР из экспериментально измеренных диэлектрических спектров ЖК для установления связи между макроскопически измеряемыми величинами и молекулярными временами релаксации.

5. С помощью специально разработанных высокочувствительных микрополосковых датчиков исследовать диэлектрические свойства биополимеров и их смесей с ЖК, а также пористых сред с ЖК.

Научная ценность и новизна работы.

загрузка...