СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА 5СВ, КАПСУЛИРОВАННОГО В МАТРИЦУ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА

July 17, 2012 by admin Комментировать »

Шепов В. Н., Дрокин Н. А. Институт Физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036, Россия Красноярский государственный технический университет, Красноярск, 660074, Россия тел.: (3912) 494591, e-mail: shepov@kirensky.ru Берлинский А. С. Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия тел.: (3832) 460875, e-mail: a.berdinsky@ref.nstu.ru FinkD. Hahn-Meitner-lnstitut Berlin, Glienicker Str. 100, D-14109 Berlin, Germany тел.: 030-8062-3029, Fax: 030-8062-2293, e-mail: fink(3)_hmi.de

Аннотация Исследована температурная зависимость диэлектрической проницаемости жидкого кристалла 5СВ, капсулированного в пористую матрицу полиэтилентерефталата, на частоте 400 МГц. При Т < 40°С выявлены отличия от температурной зависимости диэлектрической проницаемости массивного 5СВ. Предполагается, что такие отличия связаны с влиянием капсулирования на высокочастотную дисперсию параллельной компоненты диэлектрической проницаемости.

I.  Введение

Интерес к физическим свойствам гетерогенных систем нанопористая матрица жидкий кристалл (ЖК) проявляется довольно давно. Различным аспектам взаимодействия ЖК с ограничивающими стенками нанопористых матриц посвящено множество Российских и зарубежных работ. Однако в последнее время усиливается интерес к исследованию динамики молекулярных движений полярных ЖК, капсулированных в нанопористые матрицы, в широком диапазоне частот, включая сверхвысокие частоты (СВЧ) [1,2]. Это обусловлено перспективностью применения нанокомпозитных жидкокристаллических материалов в системах отображения информации и СВЧ устройствах (фильтры, фазовращатели, и др.).

Недавние исследования частотной зависимости диэлектрической проницаемости массивного 5СВ [3] позволили провести наиболее достоверную аппроксимацию диэлектрических спектров и выявить вторую, более высокочастотную, область дисперсии параллельной компоненты действительной части диэлектрической проницаемости (е’ц). Влияние капсулирования на данную дисперсионную область еще не исследовано, однако это может быть важно для описания диэлектрической проницаемости гетерогенных систем пористая матрица ЖК на сверхвысоких частотах.

В настоящей работе проведены исследования температурной зависимости е’ц ЖК 5СВ, капсулированного в матрицу полиэтилентерефталата вблизи высокочастотной области дисперсии е’ц на частоте 400 МГц.

II.  Основная часть

Исследования температурной зависимости е’ц ЖК 5СВ, капсулированного в матрицу полиэтилентерефталата (PTF), проводились на измерительных микрополосковых резонаторах (ИМПР) [4]. Исследуемый образец помещался в измерительную ячейку, состоящую из двух плоскопараллельных металлических пластин 5 х 5 мм с зазором 100 цт. Для калибровки ИМПР использовались калибровочные жидкости бензол и октан, полностью заполнявшие измерительную ячейку. Наличие сквозных отверстий в лавсановой матрице, а так же воздушных прослоек между матрицей и обкладками измерительной ячейки учитывалось при калибровке введением коэффициента частичного заполнения ячейки измеряемым веществом. Измерение действительной части параллельной компоненты диэлектрической проницаемости ЖК 5СВ осуществлялось путем регистрации разности резонансных частот датчика с пустой поровой матрицей и датчика с матрицей, в поры которой капсулирован ЖК 5СВ. При проведении температурных измерений учитывалась температурная зависимость пустого ИМПР.

Пористые матрицы представляли собой пленки полиэтилентерефталата толщиной 30 цт. Сквозные отверстия по толщине пленок были получены мето-

с                                                                        84., 14+

дом облучения тяжелыми ионами криптона Кг с энергией 300 МэВ с последующим травлением в растворе КОН (4-^5 моль/л) [5]. Площадь для определения дозы облучения показана на рис. 1. Облучение производилось в Ханн-Мейтнер-Институте, Германия. Доза облучения составила 1-106 ион/см2.

На рис. 1 приведена фотография поверхности лавсановой пленки, выполненная с помощью оптического микроскопа Axioskop 20 (Carl Zeiss) на просвет.

Рис. 1. Фотография поверхности пленки лавсана Fig. 1. The surface of PTF film

Видны сквозные отверстия диаметром 1.5 цт. Пористость пленки 1.3 %.

Перед капсулированием пленки полиэтилентерефталата прогревались в вакууме в течение 2 ч при температуре 80°С. Капсулирование осуществлялось из изотропной фазы ЖК при температуре 60°С в течение 1 ч. После заполнения пор лавсана остатки ЖК с поверхности пленки удалялись с помощью бумажных фильтров. ЯМР измерения [1] показывают, что в таких необработанных nuclepore membranes директор 5СВ упорядочен параллельно поровой оси.

На рис. 2 приведены температурные зависимости нормированных значений диэлектрической проницаемости ЖК 5СВ, находящегося в массивном состоянии (темные треугольники е’ц, темные кружки изотропная фаза) и капсулированного в матрицу лавсана (светлые кружки). Видно, что при Т > 40°С, когда 5СВ находится в изотропной фазе, нормированные значения температурных зависимостей диэлектрической проницаемости массивного и капсулированного ЖК совпадают. При этом установлено, что частотная зависимость е’ц для массивного 5СВ при Т > 40°С хорошо описывается релаксационным процессом дебаевского типа с одним временем релаксации. Следовательно, в капсулированном 5СВ, так же как и в массивном, в изотропной фазе высокочастотная область дисперсии е’ц не проявляется.

Рис. 2. Температурная зависимость нормированных значений диэлектрической проницаемости

Fig. 2. The temperature dependence of relative permittivity

Отличия в характере поведения е’ц (Т) массивного и капсулированного ЖК 5СВ начинают проявляться при Т < 40°С, что на 5°С выше температуры фазового перехода нематик изотропная жидкость для массивного 5СВ Такое несовпадение температуры может быть обусловлено сохранением некоторой степени ориентационного порядка в капсулированном 5СВ за областью фазового перехода нематикизотропная жидкость, который значительно размыт

[1]  в сравнении с аналогичным фазовым переходом в массивном 5СВ.

Для описания зависимости е’ц (Т) массивного и капсулированного ЖК 5СВ в нематической фазе необходимо учитывать температурную зависимость времени релаксации дипольной поляризации основного дебаевского процесса (тц1) и соответствующего изменения статической диэлектрической проницаемости е’о (Т). Кроме этого требуется учет температурной зависимости тцг дополнительного высокочастотного процесса и весового вклада [3] двух данных процессов в результирующую е’ц.

На рис. 3 приведена частотная зависимость параллельной компоненты диэлектрической проницаемости массивного ЖК 5СВ при Т = 30°Си ее аппроксимация (сплошная линия) суммой двух дебаевских процессов, отличающихся временами релаксации, 1 и 2 аппроксимации по Дебаю с одним, наибольшим и наименьшим временем релаксации соответственно, 3 уровень пе2. Сплошной линии соответствуют следующие параметры: е’цо=16.4, Тц1 =24х 10-9 ns, Т||2=7.Ох 10-10 ns, ле=1.72, g-i=0.92 и д2=0.08, где gi и д2

–   весовые коэффициенты двух релаксационных процессов [3].

Рис. 3. Частотная зависимость е’ц Fig. 3. Frequency dependence е’ц

Из рис. 3 видно, что штриховая линия (1), соответствующая аппроксимации экспериментальных результатов одним низкочастотным релаксационным процессом дебаевского типа, достаточно хорошо согласуется с экспериментом лишь в низкочастотной области дисперсии. Штриховая линия (2), учитывающая только высокочастотный процесс, напротив, достаточно хорошо согласуется с экспериментом только в высокочастотной области дисперсии. Аппроксимация же е’ц (f) суммой двух релаксационных процессов дает почти полное совпадение с экспериментальными данными во всем исследованном диапазоне частот. Для более точного совпадения необходим учет мелкомасштабных областей дополнительной дисперсии е’ц [3].

Из рис. 3 следует, что высокочастотный релаксационный процесс хотя и имеет малый статический вклад в е’ц, но в СВЧ области он становится доминирующим, так как имеет более высокую частоту релаксации. Следовательно, измерения температурной зависимости е’ц на частоте 400 МГц, когда вкладом от низкочастотного релаксационного процесса можно пренебречь, и дают информацию о высокочастотном релаксационном процессе. Наблюдаемое на рис. 2 уменьшение е’ц капсулированного ЖК 5СВ относительно массивного при Т < 40°С свидетельствует об уменьшении весового вклада высокочастотного процесса в результирующую СВЧ диэлектрическую проницаемость капсулированного 5СВ по сравнению с массивным.

Таким образом, в настоящей работе показано, что при рассмотрении СВЧ диэлектрической проницаемости ЖК 5СВ, капсулированного в пористые матрицы полиэтилентерефталата, необходимо учитывать влияние капсулирования на высокочастотную дисперсию е’ц даже при сравнительно большом диаметре пор ~ 1.5 цт. Уменьшение нормированных значений е’ц капсулированного ЖК 5СВ относительно массивного при Т < 40°С говорит об уменьшении вклада высокочастотного релаксационного процесса в общую СВЧ диэлектрическую проницаемость мезофазы. При уменьшении диаметра поровых матриц отличия от массивного состояния в поведении е’ц на СВЧ должны проявляться еще сильнее. Исчезает ли высокочастотный процесс полностью при капсулировании 5СВ в матрицу лавсана, предстоит выяснить в ближайшее время.

Авторы благодарны С. М. Жаркову и П. П. Силкину за измерения на оптическом микроскопе Axioskop 20.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования России (грант PD02-1.2-30).

I.     Список литературы

[1]  Rozanski S., Snannarius R., Groothues H., KremerF.

Liq. Cryst., 1996, Vol. 20, pp. 59-66.

[2]  Sinha G. P., AlievF. M. Phys. Rev. E, 1998, Vol. 58, pp. 2001-2010.

[3]  Беляев Б. А., Дрокин H. А., Шабанов В. Ф., Шепов В.Н. ФТТ, 2003, т. 45. Вып. 3. с. 567-571.

[4]  Беляев Б. А., Дрокин Н. А., Шепов В. Н. Микрополосковый измерительный резонатор. В кн. 10-я Международная Крымская конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии". Материалы конференции [Севастополь, 11-15 сентября 2000 г.]. Севастополь: Вебер, 2000, стр. 497-498. ISBN 966-572-048-1.

[5]  Berdinsky A. S., FinkD., Petrov А. V., Muller М.,

Chadderton L. Т., Chubaci J. F. and Tabacniks М. H. Formation and Conductive Properties of Miniaturized Fullerite Sensors//MRS Fall Meeting, November 26-30 in Boston, Massachusetts, Boston, USA, 2001, pp. Y.4.7.

UHF PERMITTIVITY OF LIQUID CRYSTAL 5CB ENCAPSULATED INTO POROUS MATERIALS

ShepovV. N., Drokin N. A.

L. V.Kirensky Institute of Physics Krasnoyarsk State Technical University Krasnoyarsk 660036, Russia e-mail: shepov@kirensky.ru Berdinsky A. S.

Novosibirsk State Technical University Novosibirsk, Russia e-mail: a.berdinsky@ref.nstu. ru Fink D.

Hahn-Meitner-lnstitut Berlin, Glienicker Str. 100,

D-14109 Berlin, Germany Fax: 030-8062-2293, e-mail: finkfcbhmi.de

Abstract We investigated temperature dependence of permittivity of 5CB liquid crystal, encapsulated into PTF porous matrix at 400 MHz frequency. At the temperatures below 40 С we have detected the differences between permittivity of complicated 5CB and the temperature dependence. We assume that such a difference is caused by encapsulation influence on high-frequency dispersion of permittivity parallel component.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты