Fénnyel keltett átorientálások és instabilitások

Bevezetés (fotokróm anyagok & folyadékkristályok); Folyadékkristály cellák fényérzékeny réteggel: - a minták előkészítése; - alapjelenségek megfigyelése: - direkt geometriában - fordított geometriában - fényszórás elemzése fordított geometriában; - a megfigyelt instabilitások modellezése; - a modell tesztelése ék alakú mintában; Záró megjegyzések. Vázlat

Bevezetés Fotokromizmus: elektromágneses sugárzás abszorpciójával létrejövő reverzibilis alakváltozás szervetlen, szerves anyagokban & biológiai rendszerekben, ahol a két állapot abszorpciós spektruma egymástól különbözik. Fotokróm anyagok & folyadékkristályok (FKr-ok): A.) dikroikus festékekkel (főleg azobenzol származékokkal) adalékolt FKr-ok: B.) sok esetben az azobenzol származékok önmaguk FKr-ok; C.) azobenzol származékokkal funkcionalizált polimerek (pl. PMMA vagy PEMA) irányító határfelületként használhatóak; D.) poliakrilát vagy polisziloxán alapú polimerek azobenzol oldalláncokkal, és azok térhálósított elasztomerei.

FKr cella fényérzékeny réteggel azo-festékkel bevont üveglap üveglap dörzsölt poliimid réteggel

FKr cella fényérzékeny réteggel azo-festékkel bevont üveglap üveglap dörzsölt poliimid réteggel Direkt geometria: Fordított geometria: azo-festékkel bevont üveglap üveglap dörzsölt poliimid réteggel üveglap dörzsölt poliimid réteggel e azo-festékkel bevont üveglap e A polarizált fény a polarizációs irányra merőlegesen átorientálja a felületi direktort.

FKr cella fényérzékeny réteggel Fényérzékeny réteg: A.) kemiszorbeált aminoazobenzol egyréteg (dmr) Y. Yi et al., Langmuir 25, 997 (2009); B.) forgatásos filmképzéssel (spin-coating) felvitt, dikroikus festékkel funkcionalizált PMMA réteg (fpmma) Referencia réteg: dörzsölt poliimid réteg (E.H.C. Co., Japan);

Cellakészítés d 20μm vastag cellák 5CB vagy E7 nematikus FKr-al töltve; Betöltés előtt és alatt a cellák polarizált fehér (vagy monokromatikus kék) fénnyel megvilágítva a fényérzékeny oldalról planáris kezdeti orientáció:

Alapjelenségek: direkt geometria Direkt geometria átorientálási folyamatok A polarizátor 90 o -nál nagyobb forgatása szuper-csavar, 360 o -nál diszklinációs hurkok amelyek visszaállítják a kezdeti planáris konfigurációt, azonban, van különbség: dmr fpmma

Alapjelenségek: direkt geometria Átorientálás szemléltetése dmr cellában: a csavarszög mérése a λ=532nm (P<1mW) gerjesztő nyaláb α=90 o polarizációja ( n) esetén: 90 80 70 twist angle (degree) 60 50 40 30 20 10 0 ON d=16.4µm; λ=532nm; P<1mW direct geometry α=90 o (to twist) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 t (s) Az átorientálás gyors (~s) gyorsabb mint az fpmma cellában; A relaxáció lassú sokkal lassabb mint az fpmma cellában.

Alapjelenségek: direkt geometria Átorientálás szemléltetése dmr cellában: a csavarszög mérése a λ=532nm (P<1mW) gerjesztő nyaláb α=90 o polarizációja ( n) esetén: 90 90 OFF 80 80 70 70 twist angle (degree) 60 50 40 30 ON twist angle (degree) 60 50 40 30 20 10 0 d=16.4µm; λ=532nm; P<1mW direct geometry α=90 o (to twist) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 10 0 d=16.4µm; λ=532nm; P<1mW direct geometry α=90 o (to twist) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 t (s) t (s) Az átorientálás gyors (~s) gyorsabb mint az fpmma cellában; A relaxáció lassú sokkal lassabb mint az fpmma cellában.

Alapjelenségek: direkt geometria Folyamatosan forgó polarizációs kísérlet: 45 o e out e in Fresnel rombusz Forgó polarizátor Minta A fénnyel keltett átorientálás detektálása: Referencia nyaláb Gerjesztő nyaláb Mérő nyaláb Gyorsan forgó polarizátor Fényérzékeny lap Referencia lap Signal Ref Lock-in erősítő

Alapjelenségek: direkt geometria Mit mérünk? Mérő nyaláb Jel a gerjesztés előtt A 0 Jel a gerjesztés alatt A Gerjesztő nyaláb θ Mérő nyaláb θ direktor szöge a fényérzékeny lapon; (A 0 -A)/A 0 a depolarizációs arány; A gerjesztés kezdeti polarizációs iránya mindig merőleges a direktorra.

Alapjelenségek: direkt geometria dmr 0,4 PMMA 0,6 360 360 θ (degree) 180 0,2 Depolarization ratio θ (degree) 180 0,4 0,2 Depolarization ratio 0 0,0 0 360 720 1080 1440 1800 α (degree) 0 0,0 0 360 720 1080 1440 1800 α (degree) dmr fpmma - Diszklinációs hurkok: 2π falak; - Diszklinációs hurkok: π falak; - nem relaxálnak; - perceken belül relaxálnak. - termikus törlés.

Alapjelenségek: fordított geometria - Fénypolarizáció a dörzsölési irányra (n) α = 0 nincs effektus - α 0 dmr fpmma instabilitások nincs instabilitás (statikus α=90 o, dinamikus 0<α<90 o ) (csak átorientálás)

Alapjelenségek: fordított geometria A fényszórást (λ=532nm) különböző α értékekre ernyőn elemeztük: Nincs depolarizáció; Nincs fényszórás. Statikus fényszórás; Széles csúcs egy ~20-30 o nyílásszögű kúp körül; Statikus domének (~1μm). Dinamikus szórás; Véletlenszerű felvillanások. Phys. Rev. E 89, 012504 (2014).

Alapjelenségek: fordított geometria A szórt fényintenzitás (S) időbeni fluktuációi (száloptika & FM): S (arb. units) 6.0x10-4 5.0x10-4 4.0x10-4 3.0x10-4 2.0x10-4 d=16.4µm; P=12µW; λ=532nm α=90 o α=45 o 1.0x10-4 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 t (s) α=45 o ra ritka, óriás amplitúdójú fluktuációk véletlenszerű felvillanások; Self-similarity over three orders of magnitude of input power P.

Alapjelenségek: fordított geometria A szórt fényintenzitás (S) időbeni fluktuációi (száloptika & FM): S (arb. units) 6.0x10-4 5.0x10-4 4.0x10-4 3.0x10-4 2.0x10-4 d=16.4µm; P=12µW; λ=532nm α=90 o α=45 o S (arb. units) 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 d=16.4µm λ=532nm P=12µW P=0.23mW P=0.66mW P=2.86mW P=4.2mW 1.0x10-4 0.02 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 t (s) 0.00 0 200 400 600 800 1000 1200 t (s) α=45 o ra ritka, óriás amplitúdójú fluktuációk véletlenszerű felvillanások; Önhasonlóság a P teljesítmény több mint 3 nagyságrendjén keresztül.

Alapjelenségek: fordított geometria A ritka, óriás amplitúdójú fluktuációk statisztikai elemzése (gftg): x π ( = ( S < S >) / σ σ b( x c) a S ) S = K exp[ b( x c) e ] ahol: ; K=2.14; b=0.938; c=0.374; a=π/2. S α=90 o Gauss-eloszlás; α=45 o gftg-eloszlás (a P három nagyságrendjében!!!).

Alapjelenségek: fordított geometria A ritka, óriás amplitúdójú fluktuációk statisztikai elemzése (gftg): x π ( = ( S < S >) / σ σ b( x c) a S ) S = K exp[ b( x c) e ] ahol: ; K=2.14; b=0.938; c=0.374; a=π/2. S NINCS Illesztési PARAM.! α=90 o Gauss-eloszlás; α=45 o gftg-eloszlás (a P három nagyságrendjében!!!).

Alapjelenségek: fordított geometria A ritka, óriás amplitúdójú fluktuációk statisztikai elemzése (gftg): x π ( = ( S < S >) / σ σ b( x c) a S ) S = K exp[ b( x c) e ] ahol: ; K=2.14; b=0.938; c=0.374; a=π/2. S NINCS Illesztési PARAM.! π(s) σ S 10-1 10-2 d=16.4µm P=12µW α=45 o α=90 o gftg Gauss 10-3 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 (S-<S>)/σ S α=90 o Gauss-eloszlás; α=45 o gftg-eloszlás (a P három nagyságrendjében!!!).

Alapjelenségek: fordított geometria A ritka, óriás amplitúdójú fluktuációk statisztikai elemzése (gftg): x π ( = ( S < S >) / σ σ b( x c) a S ) S = K exp[ b( x c) e ] ahol: ; K=2.14; b=0.938; c=0.374; a=π/2. S NINCS Illesztési PARAM.! π(s) σ S 10-1 10-2 d=16.4µm P=12µW α=45 o α=90 o gftg Gauss π(s) σ S 10-1 10-2 gftg P=12µW P=0.23mW P=0.66mW P=2.86µW P=4.2mW 10-3 10-3 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 α=90 o Gauss-eloszlás; (S-<S>)/σ (S-<S>)/σ S S α=45 o gftg-eloszlás (a P három nagyságrendjében!!!).

A modell A fényérzékeny lapon ható felületi forgatónyomatékon alapul; Feltételezés: a felületi direktorra ható fény-keltett forgatónyomaték ugyanúgy írható fel mint a térfogati direktorra: Γ ph = f < (n s Es ) ns Es ahol: E s, n s felületi elektromos tér és a direktor, < > - átlagolás az EM hullám oszcillációjának egy periódusára, f fenomenológiai paraméter. In planar cell, for linearly polarized light (at an angle α): > where: - ph. diff. between e and o components, n e, n o extraordinary and ordinary index, respectively, d, λ - sample thickness and wavelength, respectively, f constant related to f. Phys. Rev. E 89, 012504 (2014).

A modell A fényérzékeny lapon ható felületi forgatónyomatékon alapul; Feltételezés: a felületi direktorra ható fény-keltett forgatónyomaték ugyanúgy írható fel mint a térfogati direktorra: Γ ph = f < (n s Es ) ns Es ahol: E s, n s felületi elektromos tér és a direktor, < > - átlagolás az EM hullám oszcillációjának egy periódusára, f fenomenológiai paraméter. Planáris cellára és α szögben lineárisan polarizált fényre: Γ = f ' I sin(2α ) cos Φ ahol: - az e and o komponensek fáziskülönbsége, n e, n o extraordinárius és ordinárius törésmutató, d, λ - mintavastagság és fényhullámossz, f az f el kapcsolatos állandó. ph Φ = 2π ( n n ) d / λ e o > Phys. Rev. E 89, 012504 (2014).

A modell különböző esetek Γ ph = f ' I sin(2α ) cos Φ A. ESET: α=0 Γ ph =0, és a fényérzékeny lapon a felületi direktor stabil a kis fluktuációkkal szemben planáris konfiguráció stabil marad a megvilágítás után is. B. ESET: α=90 o Γ ph =0, azonban a felületi direktor instabil a kis fluktuációkkal szemben (inkább sztatikus irány-rendezetlenség miatt a referencia lapon, mint a direktor-tér termikus fluktuációiból adódóan) a helyi felületi direktor a fényérzékeny lapon vagy forog a referencia lap lokális rendezettségének függvényében a domének kialakulása csökkenti a Γ ph t és növeli a rugalmas forgatónyomatékot statikus mintázat.

A modell különböző esetek Γ ph = f ' I sin(2α ) cos Φ C. ESET: 0 < α < 90 o, cosδφ 0 Γ ph 0, a felületi direktor a fényérzékeny lapon, a fény polarizációs ellipszisével együtt elforog az eredeti orientációból (a Mauguin limitben) Γ ph nem változik a forgás közben és mindig nagyobb mint a rugalmas forgatónyomaték diszklinációs hurkok (inverziós falak) a rugalmas forgatónyomaték csökken dinamikus instabilitás.

A modell különböző esetek Γ ph = f ' I sin(2α ) cos Φ D. ESET: 0 < α < 90 o, cosδφ = 0 Ha a mintavastagság kielégíti a feltételt, ahol: m egész szám, 1 d = ( m + ) λ /[2( n e no )] 2 Γ ph = 0, és ezeknél a vastagságoknál nem várható dinamikus szórás mivel az n e, az n o és a λ ismertek, a d pedig mérhető, előrejelezhető egy adott cellában, hogy a feltétel hol lesz kielégítve elvégezhető az előrejelzés kísérleti tesztelése pl. ék alakú cellában széthúzott lézer-nyalábbal.

A modell tesztelése 532nm-en Zöld lézer megvilágítás α=20 o polarizációs szög alatt: Az előrejelzés Az előrejelzés & a teszt d (µm) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 position (mm) top (T) middle (M) bottom (B)

A modell tesztelése 457nm-en Kék lézer megvilágítás α=20 o polarizációs szög alatt: Az előrejelzés Az előrejelzés & a teszt d (µm) 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 position (mm) top (T) middle (M) bottom (B)

A modell tesztelése 457nm-en Kék lézer megvilágítás α=20 o polarizációs szög alatt: Az előrejelzés Az előrejelzés & a teszt d (µm) 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 position (mm) top (T) middle (M) bottom (B) Mol. Cryst. Liq. Cryst. 594, 92 (2014).

Alkalmazási lehetőség A fény polarizációjával (vagy a mintavastagsággal) szabályozható optikai adattárolás; az információ törlése hőkezeléssel (izotróp fázisban): Megvilágítás előtt Magyar Fizikus Vándorgyűlés Megvilágítás után Hőkezelés után Szeged, 2016. augusztus 24-27.

Záró megjegyzések Fényérzékeny réteggel ellátott FKr cellákban lejátszódó mechanizmusokat elemeztük; Direkt geometria átorientálási folyamatok (dmr vs. fpmma); Fordított geometria statikus vagy dinamikus instabilitások, a fény polarizációs irányától függően (dmr); A szórt fényintenzitás fluktuációinak vizsgálata alapvető különbségeket fedett fel a statikus és a dinamikus instabilitások között (dmr); Egyszerű modellt dolgoztunk ki kvalitatív magyarázatként; A modellt sikeresen teszteltük ék-alakú mintán; Alkalmazási lehetőségre hívtuk fel a figyelmet.

Köszönetnyilvánítás A társszerzőknek: - Jánossy István (MTA, Wigner FK, SZFI) - Fodor-Csorba Katalin (MTA, Wigner FK, SZFI) - Vajda Anikó (MTA, Wigner FK, SZFI) - Sukhomlinova Ludmila (Alphamicron Inc., Kent, OH, USA) - Kósa Tamás (Alphamicron Inc., Kent, OH, USA) Az FP7 M-Era.Net MACOSYS projektnek (OTKA NN110672) az anyagi támogatásért ÖNÖKNEK a kitüntető figyelemért.