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1、1,液晶的制备与应用,沈 冬理学院、物理系华东理工大学,2,第一章 液晶的概况,3,我是奥地利植物学家,埃尼采儿,1888年的一天，我在实验室做实验,加热到145.5度时，该晶体熔融成混浊液体，继续加热到178.5度时，混浊液体变成了清亮的液体,胆甾醇苯酸脂（C6H5CO2C27H45）,1.1 前言,4,本来我以为这是因为所用晶体含有杂质引起的,但是经过多次提纯，这种现象仍然不变。,后来，我把观察到的现象告诉了德国物理学家,雷曼,为什么?,5,在熔点到清亮点的范围内，这些物质的机械性能与各向同性液体相似；但是它们的光学性质却和晶体相似，是各向异性的,雷曼指出：,也就是说：物质在中介相具有强烈
2、的各向异性物理特征 同时又象普通流体那样具有流动性。,这种中介相被称为液晶相(介晶相）。,6,固态 液态 气态 液晶态（物质的第四态）液晶特性:各向异性，流动性。,熔点,熔点,沸点,清亮点,晶体：长程完全有序。液晶：短程部分有序。液体：完全无序。,7,液晶的发现虽然已经有一百多年的历史，但在没找到实际用途之前，只是长期地停留在实验室。自上世纪七十年代开始，由于液晶在显示邻域的应用及其优越的性能，使其得到飞速发展。,三十年代中期,科学家对液晶的合成以及液晶的重要物理特性才累积到一定的系统知识。,五十年代末期,科学家建立了关于液晶的比较正确的理论。人们了解到一些关于液晶材料在物体热图象方面的应用价
3、值，于是激发起了进一步探索液晶在技术方面用途的兴趣。,1888,发现液晶,8,七十年代,制成TN-LCD，并迅速工业化，被广泛应用于计算器、手表、测试设备及汽车显示等。发现了由盘形有机分子构成的液晶。,六十年代末期,动态散射现象的发现才使液晶在显示器件方面显现出光明的前景。,八十年代,STN-LCD成为中高档、中小尺寸显示的主导。80年代中后期，日本已开始大批量生产以TFT为代表的AM-LCD。目前它是手提电脑的首选显示屏。,当前,TN，STN，TFT大规模产业化。理论研究和实际应用均飞速发展。,9,10,有关液晶学的会议、文献、书籍（参考资料）：国际液晶大会，2年一次；国际铁电液晶大会，2年
4、一次；欧洲液晶会议；德国弗赖堡液晶会议，每年一次；中国液晶会议；中国平板显示会议。Liquid Crystals;J.Mater.Chem.;Adv.Mater.;Chem.Comm.;J.Ameri.Chem.Soc.;液晶与显示（液晶通信），长春。现代显示。液晶物理学，谢旈章。液晶化学，王良御，廖松生；超分子液晶，晏华。液晶器件手册，黄锡珉，黄辉光，李之路。,11,1.2 液晶的分类,1。根据化合物类型：小（低）分子液晶；高分子液晶。2。根据诱导条件：热致液晶（液晶相形成仅与温度有关）。溶致液晶（液晶相形成与溶剂和温度有关）。压致液晶（液晶相形成与压力有关）。电致液晶（液晶相形成与电场有关
5、）。光致液晶（液晶相形成与光照有关）。,12,3。根据液晶分子形状：棒状分子液晶；碟状分子液晶；剑状分子液晶；弯曲形分子液晶。4。根据液晶相的类型：胆甾相液晶(Ch)；向列相液晶(N)；近晶相液晶(Sm)；柱相液晶(Col);立方相液晶(Cub)。,13,液晶的分类,液晶,热致液晶,溶致液晶,近晶相液晶向列相液晶胆甾相液晶柱相液晶,立方相液晶层相液晶柱相液晶,14,自从液晶被发现以来，是否存在着介晶相的问题是有争论的。如塔曼以及能斯脱等著名化学家曾指出：液晶可能是由许多极小的晶体分散在各向同性液体中而形成的胶态体系；或者是由不纯物质生成的一种乳浊液体。但结晶-液晶、液晶-各向同性液体的相变温度
6、可以分别重复出现，并且在高倍显微镜下观察液晶时，看不见任何颗粒，所以关于液晶的二相说很快就被完全否定了。,1.3 热致液晶,15,由温度变化而形成。最先发现，研究较详细深入。主要有棒状分子，盘状分子，剑状分子等。形成胆甾相，向列相，近晶相，柱相。,相性质,热致液晶,16,应当注意,同一种液晶物质并不一定只具有一种类型的液晶相.以下图解说明其相变：,T1 T2 T3 晶体 近晶相 向列相 各向同性液体（例如：4，4-双庚氧基苯。T1=74 oC，T2=95 oC，T3=124 oC）,T1 T2 T3 晶体 近晶相 胆甾相 各向同性液体（例如：胆甾醇壬酸脂.T1=78 oC，T2=79 oC，T
7、3=90.5 oC）,17,互变相变型：晶体 液晶相 各项同性液体,单变相变型：晶体 各项同性液体 液晶相,T1,T2,T1,T2,18,重入液晶：晶体 近晶A相 向列相 近晶A相 向列相 各项同性液体,94 0C,96.4 0C,138.9 0C,247 0C,283 0C,19,液晶的检测有很多种方法：,一、毛细管法,把形成液晶物质的结晶放入玻璃毛细管中加热,晶体就将在非常明确的温度下熔解.,若呈现为粘稠而浑浊的不透明液体并附着在玻璃壁上,这种状态称之为近晶相,若为半透明的液体并形成弯月面的状态,则为向列相,若熔融状呈现上述两态的中间状态,且相变时伴有多种颜色的出现,则是胆甾相,对上述三种
8、液晶相再进一步加热,则在另一个明确的温度下,转变成各向同性的透明液体.,1.4 液晶的检测,20,下表是各种类型液晶的观察结果,液晶的特性,胆甾相,21,二、偏光显微镜法,Polarizing filters in an isotropic medium(such as air).The systems optical throughput depends on the relative orientation of the polarizer and analyzer.,22,观察液晶，若有带偏振片的测定微量物质熔点的装置，则能较方便的测定相变.观察时，通常把样品作成薄层，即夹在载玻片之间，
9、把它放在偏光显微镜的载物台上（通常两偏光镜正交），加热成各向同性液体，然后边冷却边观察。开始看到的是暗视野，不久温度下降到出现液晶时，便可观察到发光的粒子和某种纹理,这种纹理称之为织构。,不种类型的液晶，其纹理结构的特点各不相同,23,向列相的纹理结构,近晶C相的纹理结构,胆甾相的纹理结构,柱相的纹理结构,24,正交偏光显微镜下观察到的液晶的各种纹理结构：,近晶相A的纹理结构,近晶相B的纹理结构,近晶相C的纹理结构,近晶相B的马赛克纹理结构,25,近晶相A和C的纹理结构变换,近晶相B和C的纹理结构变换,近晶相E的马赛克纹理结构,近晶相G的马赛克纹理结构,26,三、混融实验,把两种液晶加热,使其
10、混浊,再把它们掺混到一起,然后根据混合的情况,判别这两种液晶是相同的还是不相同的.在混融实验中,如果两种液晶以任何比例都能相互混融,并形成均相状态,则可确认它们属于同一种液晶.,除了以上的观测方法,还常用差热分析装置和量热计（DSC）等进行热分析、X光衍射、介电各向异性和磁各向异性等电和磁性质的测定.,27,T/oC,Heating,Cooling,Heat flow/mW,Cr.,Cr.,SmC,SmC,Iso.,Iso.,DSC,28,液晶不但可由通常的有机化合物加热熔解后生成，而且把某些有机化合物（两性化合物）放在一定的溶剂里也能形成液晶，例如肥皂的浓水溶液便是具有代表性的一例。,大家好
11、，我是劳伦斯，我把这种由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。,这里必须指出，某些物质既可以形成热致液晶，又可以形成溶致液晶。,1.5 溶致液晶,29,溶致型液晶的发现可以追溯到19世纪中期.1854年:维尔肖把脑组织的酒精浸取液与水接触膨胀,便可形成髓磷脂形.1858年马坦海默观察到这种髓磷脂形具有光学各向异性,说明它为有序结构.1866年纽鲍尔曾记述,油酸和氨水接触时也可形成髓磷脂形.1895年,莱曼发现油酸铵的水溶液能形成液晶,从此,溶致型液晶才引起了人们极大的兴趣.,30,油酸铵是一种肥皂,1923年麦克伦南最早发现肥皂浓溶液能形成液
12、晶.后来,1925年麦克贝恩和兰登详细分析了肥皂的生产过程,发现较稀的肥皂水溶液为各向同性液体,而在浓溶液里则存在两个光学各向异性的相,浓度稍低的为中间皂相,浓度较高的为纯皂相.虽然这两个相都为溶液状态,但均缺乏流动性.纯皂相较软,呈半固体状态,中间皂相虽比纯皂相多两倍水,但粘滞度还是比纯皂相大.两个相都属于近晶相液晶,用偏光显微镜观察其宏观结构时,则两个相都具有明显不同的纹理织构.,31,后来,在合成界面活性剂的浓溶液中,也发现了同样的液晶,并用X射线衍射详细研究了它的结构.,有机体中也能形成溶致型液晶.后来人们发现高分子溶液中也能形成溶致型液晶,如聚氨基酸脂的氯仿溶液为胆甾相液晶,使这种液晶的溶剂蒸发,就可得到反射蓝色圆偏振光的胆甾相液晶的固体膜.1911年人们就发现,某中甲虫类的前翅能反射圆偏振光.经过几十年的科学实验,最近已能制成具有同样性质的人工膜.,32,1.5.1 溶致液晶相性质,形成条件：两性分子+溶剂+温度液晶相类型：层相，柱相，立方相。,相图,Col,Iso,L,
