柱腔中液晶分子取向特性研究

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液晶限制在弯曲、柔性微纳米柱腔系统中开启了发展光子晶体光纤、新型谐振器、可穿戴设备的研究前景。影响液晶分子取向的因素有很多,如弹性各向异性、系统尺寸、边界锚定条件、介电效应、挠曲电效应等。对于柱腔中液晶指向矢结构已经有了较为充分的宏观认识,但是具体锚定系数以及手性参数等对液晶分子取向的影响还有待进一步研究。本文基于液晶连续体弹性理论和有限差分迭代方法,研究柱腔内液晶的指向矢分布。首先,研究了沿面锚定边界条件对逃逸扭曲结构(escaped-twisted,简称ET)的影响。将沿面锚定边界条件分为角向和轴向两种情况,分别推导出柱坐标系下扭曲角的平衡态方程以及边界方程。通过数值模拟得出不同锚定系数以及鞍形展曲弹性常数K24对指向矢扭曲角的影响。确定了溶致液晶DSCG逃逸扭曲结构消失的临界轴向锚定系数值。热致液晶5CB虽然不满足ET结构形成的弹性常数特性,但是在适当的角向锚定和手性剂作用下也会形成ET结构。其次,探究了强垂直锚定边界条件下柱腔内DSCG液晶和5CB液晶指向矢结构。结果表明5CB液晶会形成逃逸径向(escaped-radial,简称ER)结构,由于较大的K24/K22,DSCG液晶会形成与5CB液晶完全不同的扭曲逃逸径向(twisted and escaped radial,简称TER)结构。在TER结构中对比了κ2(K22/K11)和κ3(K33/K11)分别对指向矢分布的影响,得到TER结构转变为ER结构的临界κ2值。负性液晶MBBA在封闭柱腔中形成具有点缺陷的双曲扭曲结构,探究了介电效应对其的影响。最后,在弱垂直锚定边界条件下,研究了垂直锚定系数和手性参数对DSCG液晶以及5CB液晶指向矢分布的影响。当垂直锚定系数小于一定数值时,指向矢不会产生径向分量。通过理论模拟得到DSCG液晶由ET结构转变为TER结构以及5CB液晶由均匀轴向(uniform axial,简称UA)结构转变为ER结构的临界垂直锚定系数值。手性剂对DSCG液晶取向影响很微弱,但是对5CB液晶分子有明显的扭曲作用。本文将为不同边界条件下柱腔内指向矢结构的预测提供理论分析。
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