Выявление оптимальных условий функционирования ЖК-ячеек

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.

1. Пространственные модуляторы света / А. А. Васильев, Д. Касасент, И. П. Компанец, А. В. Парфенов. М.: Радио и связь, 1987. 320 с.

2. 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.

3. Исследование 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.

4. 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.0267

5. Chen 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: 10.1063/1.2432294

6. Yang 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.2024.12.003

7. An 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/cryst14110931

8. Feng 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.546602

9. Bag 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.514441

10. Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. 384 с.

11. Каманина Н. В. Временные характеристики нематических жидкокристаллических ячеек с различными ориентирующими покрытиями // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22, № 7. С. 53–56.

12. 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.

13. 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.

14. Lee 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.26.000521

15. Electrically 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.27.015391

16. Liquid-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.489552

17. Каманина 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.0445

18. Functional 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: 10.1155/2016/8989250

19. Временные 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.2020.1.34

20. Petrescu 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.8.246

21. Influence 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.96.012706

22. Urbanski 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/C6TC00659K

23. Enhancement 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.2022.113298

24. Preparation 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/c6cp05421h

25. Барбашов 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.2024.3.42

26. Effect 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/jp500578f

27. Бутырская Е. В. Компьютерная химия: Основы теории и работа с программами Gaussian и Gaussview. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. 224 с.

28. Ochterski J. W. Thermochemistry in Gaussian. Gaussian, Inc., 2000, 19 p.

29. Gaussian 09 Citation. URL: https://gaussian.com/g09citation/ (дата обращения: 30.01.2026).