radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2026-29-1-114-125radioelectronics-1119Research ArticleРАДИОФОТОНИКАMICROWAVE PHOTONICSВыявление оптимальных условий функционирования ЖК-ячеекDetermination of Optimal Operating Conditions for Liquid Crystal Cellshttps://orcid.org/0000-0002-3449-9044БарнашЯ. В.BarnashYa. V.

Барнаш Ярослав Валерьевич – магистр по специальности "Электроника и наноэлектроника", аспирант кафедры фотоники. Младший научный сотрудник. Автор 12 научных работ. Сфера научных интересов – фотоника.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Yaroslav V. Barnash, Master's degree in Electronics and nanoelectronics; Postgraduate student of the Department of Photonics. Junior Researcher. The author of 12 scientific publications. Area of expertise: photonics.

barnash.yaroslaw@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0007-3905-1218ТягуновА. А.TyagunovA. A.

Тягунов Александр Александрович – магистр по специальности "Электроника и наноэлектроника", аспирант кафедры фотоники. Автор двух научных публикаций. Сфера научных интересов – фотоника.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander A. Tyagunov, Master's degree in Electronics and nanoelectronics, Postgraduate student of the Department of Photonics.The author of 2 scientific publications. Area of expertise: photonics.

2001.Alexander.24@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2903-2685КаманинаН. В.KamaninaN. V.

Каманина Наталия Владимировна – доктор физико-математических наук (2001), старший научный сотрудник, заведующая лабораторией, профессор кафедры фотоники, ведущий научный сотрудник. Автор 325 научных публикаций. Сфера научных интересов – фотоника.

ул. Бабушкина, д. 36, к. 1, Санкт-Петербург, 192171

Natalia V. Kamanina, Dr Sci. (Phys.-Math.) (2001), Senior Researcher, Head of Laboratory; Professor of the Department of Photonics; Leading Researcher. The author of 325 scientific publications. Area of expertise: photonics.

nvkamanina@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина); АО "НПО Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова"; Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; JSC S. I. Vavilov State Optical Institute; Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of NRC "Kurchatov Institute"Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation202610032026291114125Copyright © Барнаш Я.В., Тягунов А.А., Каманина Н.В., 20262026Барнаш Я.В., Тягунов А.А., Каманина Н.В.Barnash Y.V., Tyagunov A.A., Kamanina N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1119

Введение. Жидкокристаллические (ЖК) ячейки на основе нематических материалов, таких, как 5CB, широко используются в оптико-электронных устройствах благодаря их высокой чувствительности к внешним воздействиям. Однако эксплуатационные характеристики таких ячеек существенно зависят от условий работы, в том числе от наличия наночастиц в составе. Несмотря на активные исследования влияния электрических полей на ЖК-структуры, комплексный анализ динамики переключения при различных формах управляющих сигналов и добавлении магнитных наночастиц, таких, как CoFe2O4, остается ограниченным. В данной статье рассматривается влияние формы управляющего напряжения на динамический отклик ЖК-композита с магнитными наночастицами. Цель работы. Определение оптимальной формы управляющего сигнала, способствующей минимизации времени переключения и обеспечивающей стабильные электрооптические свойства жидкокристаллической ячейки с CoFe2O4. Материалы и методы. Исследование проводилось на ЖК-ячейке, содержащей нематик 5CB с равномерно распределенными магнитными наночастицами. Воздействие осуществлялось синусоидальными, прямоугольными и треугольными напряжениями, сгенерированными с помощью функционального генератора. Измерения выполнялись в оптической схеме с лазером, скрещенными поляризаторами и фотодиодом, регистрирующим сигнал на осциллографе. Результаты. Минимальное время отклика (4 мс) достигалось при синусоидальном сигнале. При прямоугольной форме – 6 мс, при треугольной – 5 мс. Амплитуда сигнала возрастала с длительностью импульса, но скорость переключения оставалась неизменной. Заключение. Исследование подтвердило, что форма управляющего сигнала существенно влияет на поведение ЖК-ячейки с CoFe2O4. Наиболее эффективной формой сигнала оказалась синусоида, что важно для разработки высокоскоростных оптических устройств нового поколения.

Introduction. Due to their high sensitivity to external influences, liquid crystal (LC) cells based on nematic materials, such as 5CB, are widely used in optoelectronic devices. However, the performance characteristics of such cells are significantly affected by operating conditions, including the presence of nanoparticles in their composition. Despite extensive research into the influence of electric fields on LC structures, a comprehensive analysis of switching dynamics under different driving signal shapes in the presence of magnetic nanoparticles such as CoFe2O4 remains limited. This study set out to investigate the effect of driving voltage waveform on the dynamic response of an LC composite with magnetic nanoparticles. Aim. To determine an optimal shape of the driving signal that minimizes switching time and ensures stable electro-optical properties of a LC cell with CoFe2O4. Materials and methods. The study was carried out on an LC cell containing nematic 5CB with uniformly distributed magnetic CoFe2O4 nanoparticles. The cell was driven by sinusoidal, rectangular, and triangular voltage signals generated by a function generator. Measurements were performed using an optical setup including a laser source, crossed polarizers, and a photodiode connected to an oscilloscope. Results. The shortest switching time (4 ms) was achieved with a sinusoidal signal. Rectangular signals produced a 6 ms response, while triangular signals resulted in 5 ms. An increase in the pulse duration led to a greater signal amplitude, having no effect on the switching speed. Conclusion. The study confirmed that the shape of the driving signal significantly affects the behavior of LC cells with CoFe2O4. The sinusoidal signal was found to be the most effective in terms of response time, which is important for the development of next-generation high-speed optical devices.

жидкокристаллическая ячейкананочастицы CoFe2O4электрооптический откликliquid crystal cellCoFe₂O₄ nanoparticleselectro-optical responseReferencesПространственные модуляторы света / А. А. Васильев, Д. Касасент, И. П. Компанец, А. В. Парфенов. М.: Радио и связь, 1987. 320 с.Vasil'ev A. A., Kasasent D., Kompanets I. P., Parfenov A. V. Prostranstvennye modulyatory sveta [Spatial Light Modulators]. Moscow, Radio i svyaz’, 1987, 320 p. (In Russ.)Парфенов А. В., Компанец И. Н., Попов Ю. М. Пространственная модуляция света в фоточувствительных высокоразрешающих структурах МДП с жидким кристаллом // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 2. С. 290–298.Parfenov A. V., Kompanets I. N., Popov Yu. M. Spatial Modulation of Light in Photosensitive High Resolution Metal–Insulator–Semiconductor Structures with Liquid Crystals. Soviet J. of Quantum Electronics. 1980, vol. 10, no. 2, pp. 167–171. doi: 10.1070/QE1980v010n02ABEH009920Исследование динамических свойств жидкокристаллических оптически управляемых транспарантов / И. И. Кузьмина, А. П. Комаров, В. В. Никитин, А. П. Онохов // Оптический журн. 1993. № 7. С. 49–53.Kuz'mina I. I., Komarov A. P., Nikitin V. V., Onokhov A. P. Issledovanie dinamicheskikh svoystv zhidkokristallicheskikh opticheski upravlyaemykh transparantov [Investigation of Dynamic Properties of Optically Controlled Liquid Crystal Transparencies]. Opticheskii Zhurn. 1993, no. 7, pp. 49–53. (In Russ.)Беляев В. В. Физические методы измерения коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов // Успехи физических наук. 2001. Т. 171, вып. 3. С. 267–298. doi: 10.3367/UFNr.0171.200103b.0267Belyaev V. V. Physical Methods for Measuring the Viscosity Coefficients of Nematic Liquid Crystals. Physics Uspekhi. 2001, vol. 44, no. 3, pp. 255–284. doi: 10.1070/PU2001v044n03ABEH000831Chen Hui-Yu, Lee Wei, Clark N. A. Faster electro-optical response characteristics of a carbon nanotube-nematic suspension // Appl. Phys. Let. 2007. Vol. 90, № 3. Art. № 033510. doi: 10.1063/1.2432294Chen Hui-Yu, Lee Wei, Clark N. A. Faster Electro-Optical Response Characteristics of a Carbon Nanotube-Nematic Suspension. Appl. Phys. Let. 2007, vol. 90, no. 3, art. no. 033510. doi: 10.1063/1.2432294Yang J., Yang D. A Brief Discussion on the Control of PTMEG Molecular Weight and Viscosity // Nanomaterials and Nanotechnology Advances. 2024. Vol. 1, № 1. P. 10–14. doi: 10.26855/nna.2024.12.003Yang J., Yang D. A Brief Discussion on the Control of PTMEG Molecular Weight and Viscosity. Nanomaterials and Nanotechnology Advances. 2024, vol. 1, no. 1, pp. 10–14. doi: 10.26855/nna.2024.12.003An C.-H., Oh S.-W. Review of Angular Selective Windows with Guest–Host Liquid Crystals for Static Window Applications // Crystals. 2024. Vol. 14, № 11. Art. № 931. doi: 10.3390/cryst14110931An C.-H., Oh S.-W. Review of Angular Selective Windows with Guest–Host Liquid Crystals for Static Window Applications. Crystals. 2024, vol. 14, no. 11, art. no. 931. doi: 10.3390/cryst14110931Feng W. Frequency-Stable Liquid Crystal Lenses Using a Circumferentially Segmented Concentric Electrode. Optics Express. 2024, vol. 32, no. 27, pp. 48315-48328. https://doi.org/10.1364/OE.546602Feng W. Frequency-Stable Liquid Crystal Lenses Using a Circumferentially Segmented Concentric Electrode. Optics Express. 2024, vol. 32, no. 27, pp. 48315–48328. doi: 10.1364/OE.546602Bag D., Chakraborty S., Sinha A. Nanoscale surface metrology with a liquid crystal-based phase shifting angular shearing interferometer // Optics Let. 2024. Vol. 49, № 7. P. 1705–1708. doi: 10.1364/OL.514441Bag D., Chakraborty S., Sinha A. Nanoscale Surface Metrology with a Liquid Crystal-Based Phase Shifting Angular Shearing Interferometer. Optics Let. 2024, vol. 49, no. 7, pp. 1705–1708. doi: 10.1364/OL.514441Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. 384 с.Blinov L. M. Elektro i magnitooptika zhidkikh kristallov [Electro and Magneto-Optics of Liquid Crystals]. Moscow, Nauka, 1978, 384 p. (In Russ.)Каманина Н. В. Временные характеристики нематических жидкокристаллических ячеек с различными ориентирующими покрытиями // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22, № 7. С. 53–56.Kamanina N. V. Temporal Characteristics of Nematic Liquid Crystal Cells with Various Alignment Layers. Technical Physics Let. 1996, vol. 22, no. 7, pp. 53–56. (In Russ.)Моделирование дифракции света на структурах с пространственной периодичностью оптических параметров вещества и рельефа поверхности / В. И. Цой, А. В. Тарасишин, В. В. Беляев, С. М. Трофимов // Оптический журн. 2003. Т. 70, № 7. С. 18–23.Tsoy V. I., Tarasishin A. V., Belyaev V. V., Trofimov S. M. Modelirovanie difraktsii sveta na strukturakh s prostranstvennoy periodichnost’yu opticheskikh parametrov veshchestva i relefa poverkhnosti [Modeling of Light Diffraction on Structures with Spatial Periodicity of Optical Parameters and Surface Relief]. J. of Optical Technology. 2003, vol. 70, no. 7, pp. 18–23. (In Russ.)Садовой А. В., Названов В. Ф. Оптическое пропускание диспергированными в полимере жидкими кристаллами с углеродными нанотрубками // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 15. С. 30–34.Sadovoy A. V., Nazvanov V. F. Optical Trans mission of Polymer Dispersed Liquid Crystals Doped with Carbon Nanotubes. Technical Physics Let. 2006, vol. 32, no. 8, pp. 659–660. doi: 10.1134/S1063785006080062Lee W., Chiu C.-S. Observation of self diffraction by gratings in nematic liquid crystals doped with carbon nanotubes // Optics Let. 2001. Vol. 26, № 8. P. 521–523. doi: 10.1364/OL.26.000521Lee W., Chiu C.-S. Observation of Self Diffraction by Gratings in Nematic Liquid Crystals Doped with Carbon Nanotubes. Optics Let. 2001, vol. 26, no. 8, pp. 521–523. doi: 10.1364/OL.26.000521Electrically switchable photonic crystals based on liquid-crystal-infiltrated TiO2-inverse opals / Y. Zhang, K. Li, F. Su, Z. Cai, J. Liu, X. Wu, H. He, Z. Yin, L. Wang, B. Wang, Y. Tian, D. Luo, X. W. Sun, Y. J. Liu // Optics Express. 2019. Vol. 27, № 11. P. 15391–15398. doi: 10.1364/OE.27.015391Zhang Y., Li K., Su F., Cai Z., Liu J., Wu X., He H., Yin Z., Wang L., Wang B., Tian Y., Luo D., Sun X. W., Liu Y. J. Electrically Switchable Photonic Crystals Based on Liquid-Crystal-Infiltrated TiO2 Inverse Opals. Optics Express. 2019, vol. 27, no. 11, pp. 15391–15398. doi: 10.1364/OE.27.015391Liquid-crystal-based fiber laser sensor for noninvasive gas detection / D. Zhou, Q. Wang, Z. Lan, Y. Chen, Z. Peng, L. Zhang, Y. Liu // Optics Let. 2023. Vol. 48, № 17. P. 4508–4511. doi: 10.1364/OL.489552Zhou D., Wang Q., Lan Z., Chen Y., Peng Z., Zhang L., Liu Y. Liquid-Crystal-Based Fiber Laser Sensor for Non-Invasive Gas Detection. Optics Let. 2023, vol. 48, no. 17, pp. 4508–4511. doi: 10.1364/OL.489552Каманина Н. В. Фуллеренсодержащие диспергированные нематические жидкокристаллические структуры: динамические характеристики и процессы самоорганизации // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, № 4. С. 445–454. doi: 10.3367/UFNr.0175.200504f.0445Kamanina N. V. Fullerene-Dispersed Nematic Liquid Crystal Structures: Dynamic Characteristics and Self-Organization Processes. Physics-Uspekhi. 2005, vol. 48, no. 4, pp. 419–427. doi: 10.1070/PU2005v048n04ABEH002101Functional smart dispersed liquid crystals for nano- and biophotonic applications: nanoparticles-assisted optical bioimaging / N. V. Kamanina, S. V. Likhomanova, Y. A. Zubtcova, A. A. Kamanin, A. Pawlicka // J. of Nanomaterials. 2016. Vol. 1–4. P. 1–9. doi: 10.1155/2016/8989250Kamanina N. V., Likhomanova S. V., Zubtcova Y. A., Kamanin A. A., Pawlicka A. Functional Smart Dispersed Liquid Crystals for Nano- and Biophotonic Applications: Nanoparticles-Assisted Optical Bioimaging. J. of Nanomaterials. 2016, vol. 1–4, pp. 1–9. doi: 10.1155/2016/8989250Временные характеристики жидкокристаллической ячейки с наночастицами WS2: сенсибилизация мезофазы и особенности рельефа / Н. В. Каманина, Ю. А. Зубцова, А. С. Тойкка, С. В. Лихоманова, A. Zak, R. Tenne // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2020. Т. 20, № 1. С. 34–40. doi: 10.18083/LCAppl.2020.1.34Kamanina N. V., Zubtsova Yu. A., Toykka A. S., Likhomanova S. V., Zak A., Tenne R. Temporal Characteristics of Liquid Crystal Cell with WS2 Nanoparticles: Mesophase Sensitization and Relief Features. Liquid Crystals and their Application. 2020, vol. 20, no. 1, pp. 34–40. (In Russ.) doi: 10.18083/LCAppl.2020.1.34Petrescu E., Cirtoaje C., Stan C. Dynamic behavior of a nematic liquid crystal mixed with CoFe2O4 ferromagnetic nanoparticles in a magnetic field // Beilstein J. of Nanotechnology. 2017. Vol. 8. P. 2467–2473. doi: 10.3762/bjnano.8.246Petrescu E., Cirtoaje C., Stan C. Dynamic Behavior of a Nematic Liquid Crystal Mixed with CoFe2O4 Ferromagnetic Nanoparticles in a Magnetic Field. Beilstein J. of Nanotechnology. 2017, vol. 8, pp. 2467–2473. doi: 10.3762/bjnano.8.246Influence of a dispersion of magnetic and nonmagnetic nanoparticles on the magnetic Fredericksz transition of the liquid crystal 5CB / A. Mouhli, H. Ayeb, T. Othman, J. Fresnais, V. Dupuis, I. R. Nemitz, J. S. Pendery, Ch. Rosenblatt, O. Sandre, E. Lacaze // Physical Review E. 2017. Vol. 96, № 1. Art. № 012706. doi: 10.1103/PhysRevE.96.012706Mouhli A., Ayeb H., Othman T., Fresnais J., Dupuis V., Nemitz I. R., Pendery J. S., Rosenblatt Ch., Sandre O., Lacaze E. Influence of a Dispersion of Magnetic and Non-Magnetic Nanoparticles on the Magnetic Fredericksz Transition of the Liquid Crystal 5CB. Physical Review E. 2017, vol. 96, no. 1, art. no. 012706. doi: 10.1103/PhysRevE.96.012706Urbanski M., Lagerwall J. P. F. Nanoparticles dispersed in liquid crystals: impact on conductivity, low frequency relaxation and electro-optical performance // J. of Materials Chemistry C. 2016. Vol. 4, № 16. P. 3485–3491. doi: 10.1039/C6TC00659KUrbanski M., Lagerwall J. P. F. Nanoparticles Dispersed in Liquid Crystals: Impact on Conductivity, Low Frequency Relaxation and Electro-Optical Performance. J. of Materials Chemistry C. 2016, vol. 4, no. 16, pp. 3485–3491. doi: 10.1039/C6TC00659KEnhancement of birefringence for liquid crystal with the doping of ferric oxide nanoparticles / P. K. Tripathi, D. P. Singh, T. Yadav, V. Singh, A. K. Srivastava, Y. S. Negi // Optical Materials. 2023. Vol. 135. Art. № 113298. doi: 10.1016/j.optmat.2022.113298Tripathi P. K., Singh D. P., Yadav T., Singh V., Srivastava A. K., Negi Y. S. Enhancement of Birefringence for Liquid Crystal with the Doping of Ferric Oxide Nanoparticles. Optical Materials. 2023, vol. 135, art. no. 113298. doi: 10.1016/j.optmat.2022.113298Preparation and optical properties of Fe3O4 nanoparticles-doped blue phase liquid crystal / W.-L. He, W.-K. Zhang, H. Xu, L.-H. Li, Zh. Yang, H. Cao, D. Wang, Zh.-G. Zheng, H. Yang // Phys. Chemistry Chemical Physics. 2016. Vol. 18. P. 29028–29032. doi: 10.1039/c6cp05421hHe W.-L., Zhang W.-K., Xu H., Li L.-H., Yang Zh., Cao H., Wang D. , Zheng Zh.-G., Yang H. Preparation and Optical Properties of Fe3O4 Nanoparticles-Doped Blue Phase Liquid Crystal. Phys. Chemistry Chemical Physics. 2016, vol. 18, pp. 29028–29032. doi: 10.1039/c6cp05421hБарбашов В. А., Ткаченко Т. П., Пожидаев Е. П. Влияние толщины ячейки и формы сигнала на частотные дисперсии диэлектрических характеристик ферроэлектрического жидкого кристалла // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2024. Т. 24, № 3. С. 42–51. doi: 10.18083/LCAppl.2024.3.42Barbashov V. A., Tkachenko T. P., Pozhidaev E. P. The Influence of Cell Thickness and Driving Voltage Shape on the Frequency Dispersions of Dielectric Characteristics of Ferrielectric Liquid Crystal. Liquid Crystals and their Application. 2024, vol. 24, no. 3, pp. 42–51. (In Russ.) doi: 10.18083/LCAppl.2024.3.42Effect of oleic acid concentration on the physicochemical properties of cobalt ferrite nanoparticles / S. Jovanović, M. Spreitzer, M. Tramšek, Z. Trontelj, D. Suvorov // J. of Physical Chemistry C. 2014. Vol. 118, № 25. P. 13844–13856. doi: 10.1021/jp500578fJovanović S., Spreitzer M., Tramšek M., Trontelj Z., Suvorov D. Effect of Oleic Acid Concentration on the Physicochemical Properties of Cobalt Ferrite Nanoparticles. J. of Physical Chemistry C. 2014, vol. 118, no. 25, pp. 13844–13856. doi: 10.1021/jp500578fБутырская Е. В. Компьютерная химия: Основы теории и работа с программами Gaussian и Gaussview. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. 224 с.Butyrskaya E. V. Komp'yuternaya khimiya: Osnovy teorii i rabota s programmami Gaussian i Gaussview [Computational Chemistry: Basic Theory and Working with Gaussian and Gaussview Programs]. Moscow, SOLON-PRESS, 2011, 224 p. (In Russ.)Ochterski J. W. Thermochemistry in Gaussian. Gaussian, Inc., 2000, 19 p.Ochterski J. W. Thermochemistry in Gaussian. Gaussian, Inc., 2000, 19 p.Gaussian 09 Citation. URL: https://gaussian.com/g09citation/ (дата обращения: 30.01.2026).Gaussian 09 Citation. Available at: https://gaussian.com/g09citation/ (accessed: 30.01.2026).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.