Реферат: Профессии жидких кристаллов

                                                                                              Ученика  10«А» класса

                                                                                              Средней 323 школы

                                                                                              Доскач Вячеслава Олеговича

            

Реферат по физике на тему:

«Профессиижидких    кристаллов».

Всё чаще мы стали встречаться стермином «жидкие кристаллы». Мы все часто с ними общаемся, и они играютнемаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройстваработают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочиеустройства<span CourierCyrillic",«sans-serif»">.

Чтоже это за вещества с та­ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» ипочему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука сталапроизводительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес ктому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объектпредставляет интерес для материаль­ного производства.  В этом отношении не являются ис­ключением ижидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями ихэффективного при­менения в ряде отраслей производственной деятельно­сти.Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скую эффективность, простоту,удобство<span CourierCyrillic",«sans-serif»">.

Жидкийкристалл – это специфическое агрегатное со­стояние вещества, вкотором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надоогово­риться, что далеко не все вещества могут находиться вжидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только втрех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом,жидком и газообразном.   Оказывается,   некоторые органические вещества, обладающиесложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­ватьчетвертое агрегатное состояние—жидкокристалли­ческое.  Это состояниеосуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавленииобра­зуется жидкокристаллическая фаза,  отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фазасуществует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой болеевысокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычнуюжидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестьюи принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известныхвсем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид­костью,он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это— упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл.Правда, это упорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем неменее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает ихот обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул,образующих жид­кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нетполного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотячастичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлическойрешетки. Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладаютсвойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающимих с обычными кристаллами, является наличие порядка» пространственнойориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, втом, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированыодинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше­гоназванного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществлятьсяболее сложный ориентационный порядок молекул.

В зависимости от видаупорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности:нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при­менениям в настоящее время ведутся широкимфрон­том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен­ные исследованиясосредоточены как вакадемических,так и отраслевых научно-исследовательских учреждени­яхи имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы вЛенинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. Впоследние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователитакже вносят весомый вклад в развитие учения о жидкихкристаллах в целом и, вчастности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского,С. А.Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских иссле­дователейшироко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.

            Существованиежидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то естьпочти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с даннымсостоянием вещества, но официально его открыли позже.

       <span CourierCyrillic",«sans-serif»">Первым, кто обнаружил жидкиекристаллы, был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер.Исследуя новое син­тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна­ружил,что при температуре145° С кристаллыэтого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. Припродолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданныесвойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри­вая эту фазу подполяризационным микроскопом, Рей­нитцер обнаружил, что она обладаетдвупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скоростьсвета е этой фазе, зависит от поляризации.

Явление двупреломления—это типично кристалличе­ский эффект, состоящийв том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентации плоскостиполяризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимальногои минимального значений для двух вза­имно ортогональных ориентаций плоскостиполяризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальнымзначениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристаллаи одно­значно задаются ориентацией кристаллических осей отно­сительнонаправления распространения света.

            Поэтомусказанное поясняет, что существование дву­преломления в жидкости, котораядолжна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими отнаправления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то времямогло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла,кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако болеедетальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи­зикаЛеймана, показали, что мутная фаза не является двух­фазной системой, т. е. несодержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовымсостоянием вещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкийкристалл» в связи с одновре­менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла.Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это— «мезофаза», что буквально означает«промежуточная фаза».

       В товремя существование жидких кристаллов пред­ставлялось каким-то курьезом, иникто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду­щеев технических приложениях. Поэтому после некото­рого интереса к жидкимкристаллам сразу после их от­крытия о них через некоторое время практически за­были.

Тем не менее, уже в первые годы были выяснены мно­гиедругие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидкихкристаллов обладали не­обычно высокой оптической активностью.

            Оптическойактивностью называют способность неко­торых веществ вращать плоскостьполяризации проходя­щего через них света. Это означает, что линейно поля­ризованныйсвет, распространяясь в таких средах, изме­няет ориентацию плоскостиполяризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционаленпути, пройденному светом

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычныхжид­костях, удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный,независящий от длины волны све­та знак. Это означает, что вращение плоскостиполяри­зации света в них происходит в определенном направле­нии. Против часовойстрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. Приэтом подра­зумевается, что наблюдение за вращением плоскости по­ляризацииосуществляется вдоль направления распрост­ранения света. Поэтому все оптическиактивные веще­ства подразделяются на правовращающие(если враще­ние происходитпо часовой стрелке) и левовращающие(если вращение происходит против часовойстрелки).

В случае оптически активных жидких кристаллов та­каяклассификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак)вращения в жидких кристал­лах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Ра, например,могла быть положи­тельной, а для более длинноволнового света—отрица­тельной. А могло быть и наоборот.Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос­костиполяризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсиязнака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со­вершенноне укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.

Удивительными былитакже и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названныхха­рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш­ним магнитным иэлектрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленныесвойства, необ­ходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности,ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объясненияописанных свойств наиболее существенными оказываются именно структур­ныехарактеристики жидких кристаллов.

Здесь следует сказать,что в конце девятнадцатого— началедвадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относилиськ открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву свя­зывать соткрытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первыхисследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри­сталлы» мы обязаныименно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидкихкри­сталлов представлялись многим авторитетам весьма со­мнительными, но и втом, что свойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений,обладавших жид­кокристаллической фазой) оказывались существенно раз­личными.Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкостьбыла невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем­пературы резкоеизменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкиекристаллы та­кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний видобразцов, или, как принято говорить, тек­стура, различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопомоказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопамогли быть видны образования, похожие на нити, в дру­гом— наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем— картина напоминала отпечатки пальцев. Стоялтакже вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

  Время шло,факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа,который позволил бы установить какую-то систему в представле­ниях о жидкихкристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований.Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри­сталловпринадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложилразделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидкихкристаллов Фридель назвал нематическими, дру­гую смектическими. (Почему такиена первый взгляд не­понятные названия дал Фридель разновидностям жидкихкристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же пред­ложил общий термин дляжидких кристаллов— «мезо морфная фаза».Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводяего, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают про­межуточноеположение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и посвоим физи­ческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификацииФриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы какподкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда­на, более островстал вопрос: почему в природе реализу­ется жидкокристаллическое состояние?Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско­пическойтеории. Но в то время на такую теорию не при­ходилось и надеяться (кстати,последовательной микро­скопической теории ЖК не существует и по сей день),поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученымX. Цохером и голландцем С. Озерном феноме­нологическойтеории жидких кристаллов, или, как ее при­нято называть, теории упругости ЖК. В30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили не­обычныеэлектрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, чторассказанное выше отно­силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени,когда исследования ЖК велись малочисленными коллек­тивами. Современный этапизучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖКсегод­няшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался поднепосредственным влиянием успехов в технических приложенияхжидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время былопонято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники,характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляю­щихничтожные мощности энергии для устройств инди­кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи­более подходящимиоказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображенияинфор­мации на ЖК естественным образом вписываются в энер­гетику и габаритымикроэлектронных схем. Они потреб­ляют ничтожные мощностии могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Всеэто предопределяет массовое внедрение жидкокристал­лических индикаторов в системы отображения информа­ции,свидетелями которого мы являемся»настоящее время. Чтобы осознатьэтот процесс, достаточно вспом­нить о часах или микрокалькуляторах сжидкокристалли­ческими индикаторами. Но это только начало. На сменутрадиционным и привычным устройствам идут жидко­кристаллические системыотображения информации.jkbkчасто бывает, технические потребности не только стимулируют разработкупроблем, связанных с практи­ческими приложениями, но и часто заставляют переос­мыслитьобщее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкимикристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсиро­ванногосостояния.

Другим важнымобстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионныйхарак­тер. Это означает, что ответственными за перенос элек­трического тока вЖК являются не электроны, как в ме­таллах, а гораздо более массивные частицы.Это поло­жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле­кул (или самимолекулы), отдавшие или захватившие из­быточный электрон. По этой причинеэлектропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими­ческойприроды содержащихся в них примесей. В част­ности, электропроводность нематикаможно целена­правленно изменять, добавляя в него контролируемо» количествоионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно,что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов всистеме ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в видешариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в р.больше, чему, представляется совершенно естественным и по­нятным.Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помехот молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чегои следует ожидать, что продольная проводимость оII будет превосходить поперечную про­водимость.

Более того,обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул снеобходи­мостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь поддействием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, чтополе приложе­но поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекула­ми-палочками,будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдольнаправления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрическийток в жидком кристалле должен приво­дить к переориентации директора.

Экспериментподтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождениятока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа­ция оказывается нетакой простой, как может показать­ся на первый взгляд.

Частопостоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результатевозникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периоди­ческое впространстве возмущение ориентации директо­ра. Дело здесь в том, что, говоря обориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока чтопренебрегали тем, что ионы будут вовле­кать в свое движение также и молекулынематика. В ре­зультате такого вовлечения прохождение тока в жид­ком кристаллеможет сопровождаться гидродинамичес­кими потоками, вследствие чего можетустановиться пе­риодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкогокристалла. Вследствие  обсуждав­шейся впредыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора вслое нематика воз­никнет периодическое возмущение распределения директора.Подробней на этом интересном и важном в при­ложении жидких кристаллов явлениимы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме мо­лекул жидкогокристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такаяаппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти кзаключению, что не для всех соединений приб­лижение молекула-палочка наиболееадекватно их фор­ме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан рядинтересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид­ких кристаллов. Сейчас мыостановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклоне­ниемее формы от простейшей молекулы-палочки, про­являющемся в существовании  флексоэлектрического эффекта.

Интересно, чтооткрытие флексоэлектрического эф­фекта, как иногда говорят о теоретическихпредсказа­ниях, было сделано на кончике пера американским физи­ком Р. Мейером в1969 году.

Рассматривая моделижидких кристаллов, образо­ванных не молекулами-палочками, а молекулами болеесложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себяв макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, чтомолекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, чтоотклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее,сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы не­симметричнойформы— типичное явление и связано оно стем, что расположение «центра тяжести» отрица­тельного электрического зарядаэлектронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центратяжести» положительных зарядов атомных ядер моле­кулы. Это относительноесмещение отрицательных и по­ложительных зарядов относительно друг друга и приво­дитк возникновению электрического дипольного момен­та молекулы. При этом в целоммолекула остается нейт­ральной, так как величина отрицательного заряда элек­троновв точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равнапроизведению за­ряда одного из знаков на величину их относительного смещения.Направлен дипольный момент вдоль направ­ления смещения от отрицательного зарядак положи­тельному. Для грушеобразной молекулы направление ди­польного моментапо симметричным   соображениям должносовпадать с осью вращения, для банановидной молекулы— направлено поперек длинной оси.

Рассматривая жидкийкристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешнихвоздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разуме­ется,содержащего большое число молекул объема жид­кого кристалла, равен нулю. Этосвязано с тем, что нап­равление директора в жидком кристалле задается ориен­тациейдлинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направленпо директору в ту и другую сторону— длягрушеобразных молекул, или для банановидных молекул— поперек направления ди­ректора в ту и другую сторону, одинаково.В ре­зультате дипольный момент любого макроскопиче­ского объема жидкогокристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельныхмолекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном об­разце.Стоит путем внешнего воздействия, например ме­ханического, исказить, скажем,изогнуть его, как моле­кулы начнут выстраиваться, и распределение направле­нийдипольных моментов отдельных молекул вдоль ди­ректора для грушеподобных молекули поперек директо­ра для банановидных будет неравновероятным. Это означает, чтовозникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельныхмолекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объемежидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются сферические факторы,т. е. фак­торы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковкемолекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором ихдипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сто­рону.

С макроскопическойточки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкогокристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связанос тем, что при выстраива­нии диполей на одной поверхности деформированногокристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности— другого знака. Таким обрезом, наличие илиотсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и еедипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только чторассмотренных форм моле­кул эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметилинаиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул длянаблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем разли­чныедеформации. Грушеподобных молекулы дают эф­фект при поперечном изгибе, абанановидные— при продольном изгибежидкого кристалла

Предсказанныйтеоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально.При­чем на эксперименте можно было пользоваться как пря­мым, так и обратнымэффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать внем электрическое поле и макроскопический диполь­ный момент (прямой эффект), нои, прикладывая к об­разцу внешнее электрическое поле, вызывать дефор­мациюориентации директора в жидком кристалле.

Мы поняли чтотакое жидкие кристаллы, ну а для чего же они нужны?

Электроннаяигра, электронный словарь и телевизор на жк»

Известно, какойпопулярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавлива­емыев специальной комнате аттракционов в местах об­щественного отдыха или фойекинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеевсделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном,так сказать, карманном ис­полнении. Игра «Ну, погоди!», ос­воена отечественнойпромышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментомявляется жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваютсяизображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го,нажимая кнопки управления, заставить волка, пере­мещаясь от желоба к желобу,ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть наземлю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз­влекательного назначения,эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы надисплее «высвечивается» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемыймомент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со­юзаматричных дисплеев на жидких кристаллах и микро­электронной техники даютсовременные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред­ставляютсобой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманныймикрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках икоторые снабжены матричным дисплеем и кла­виатурой с алфавитом. Набирая наклавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее егоперевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит­ся и облегчится процессобучения иностранным язы­кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб­женподобным словарем) А наблюдая, как быстро изде­лия микроэлектроники внедряютсяв нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легкопредставить и пути дальнейшего совершенствова­ния таких словарей-переводчиков:переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо­жет бытьи озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию визучении языков и технике перевода.

Требованияк матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываютсязначительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем вописанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным,если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображе­ние наэкране формируется из625 строк (иприблизи­тельно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а времязаписи одного кадра40 мс. Поэтому практическаяреализация телевизора с жидкокристалли­ческим экраном оказывается более труднойзадачей. Тем не менее, налицо первые успехи в техническом решении и этойзадачи. Так, японская фирма «Сони» наладила про­изводство миниатюрного,умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением иразмером экрана3,6 см. Несомненно, вбудущем удаст­ся создать телевизоры на ЖК как с более крупными эк­ранами, так ис цветным изображением.

Союз микроэлектроникии жидких кристаллов оказы­вается чрезвычайно эффективным не только в готовомизделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним изэтапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит внанесении на поверхность полупроводникового материала специ­альных масок, а затемв вытравливании с помощью фотографической техники так называемыхлитографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса про­изводствапреобразуются в элементы и соединения ми­кроэлектронной схемы. От того,насколько малы разме­ры соответствующих окон, зависит число элементов схемы,которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания  окон зависит качество микросхемы. Выше ужеговорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерическихжидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме ипозволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением. Не менееполезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уж нематических) настадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковуюпластину с протравленными литогра­фическими окнами наносится ориентированныйслой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение.  В результате в поляризованном свете картина " вытравленных окон отчетливовизуализируется. Более  того, этот методпозволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литографическихработ, 1 протяженность которых всего0,01 мкм.

Некоторое время тому назад необыч­ной популярностью в США пользоваласьновинка юве­лирного производства, получившая название «перстень настроения». Загод было продано50миллионов таких перстней, т. е. практически каждаявзрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима­ниелюбители бижутерии к этому перстню? Оказывается, онобладал совершенно мистическим свойством реагиро­ватьна настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстняследовал за настроением вла­дельца, пробегая все цвета радуги от красного дофио­летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга­дывать настроение,декоративность перстня, обеспечи­ваемая яркой и меняющейся окраской камешка,плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именнотогда впервые широкие массы стол­кнулись с загадочным термином «жидкиекристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секретслежения за настроением. Однако ни­чего толком не было известно, говорилось,только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита­теля, которыйзнаком с жидкими кристаллами, нужно сде­лать уточнение— на холестерическом жидком кристалле,а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о нихвообще, чтобы раскрыть секрет перстня настрое­ния, необходимо сначалапознакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только отом, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроени­ем человека, но и омногих других удивительных их свойствах и практических применениях.

 О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче­ские эффекты вжидких кристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой ииспользуются в изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы синдикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкиекристаллы использу­ются для производства наручных часов, в которые встро­енкалькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как на­звать такое устройство, то личасы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всегодесятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовыхи эффективных при­менений жидких кристаллов еще более удивительны. По­этомустоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов,которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько летпослужат основой создания устройств, которые станут для нас такими жепривычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Управляемыеоптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследованийв процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, вчастности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовоесоздание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается струдностями не принципиального, а чисто технологиче­ского характера. Хотяпринципиально возможность со­здания таких экранов продемонстрирована, однако асвязи со сложностью их производства при современной технологии их стоимостьоказывается очень высокой. По­этому возникла идея создания проекционныхустройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получен­ное нажидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано вувеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит вкинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут бытьреализованы на жидких кристал­лах, если использовать сэндвичевые структуры, вкото­рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника.Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопо­лупроводника,производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главеVII. Теперь же познакомимся с физическимиявлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутст­виеподсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практическився разность потенциа­лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото­руюеще дополнительно введен слой фотополупровод­ника, падает на этом слоефотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствуетотсутствию напряжения на нем. При подсветке фотопо­лупроводника егопроводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительныеносители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхо­дитперераспределение электрических напряжений в ячейке— теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическомслое, и состояние слоя, в частно­сти, его оптические характеристики, изменяютсясоответ­ственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяютсяоптические характеристики жидкокристал­лического слоя в результате действиясвета. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любойэлектрооптический эффект из описанных выше. Практи­чески, конечно, выборэлектрооптического эффекта в та­ком сэндвичевом устройстве, называемомэлектрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическимихарактеристиками и чисто технологическими причинами.

Важно, что вописываемом транспаранте изменение оптических характеристикжидкокристаллического слоя происходит локально—в точке засветки фотополупро­водника. Поэтому такие транспаранты обладают оченьвы­сокой разрешающей способностью. Так, объем информа­ции, содержащейся нателевизионном экране, может быть записан на тр