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用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性

用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性. 武汉大学物理实验教学中心 周殿清 于国萍. 一、液晶简介. 液晶的发现可追溯到 19 世纪末， 1888 年奥地利的植物学家 F·Reinitzer 在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？. 1. 液晶的发现. 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。

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用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性

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Presentation Transcript

  1. 用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性 武汉大学物理实验教学中心 周殿清 于国萍

  2. 一、液晶简介 • 液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ 1.液晶的发现

  3. 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 • 于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。

  4. 2. 液晶的基本特性 • 液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于“完全有序的周期性结构”和“完全无规则结构”之间的介晶态，它具有长程有序和各向异性的特征。 • 液晶具有液体的一些特征—流动性、不能承受切变力、可形成液滴等。同时又具有晶体的某些特征—分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、磁化率、粘滞系数、弹性系数均为各向异性。 • 液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。本实验采用的是热致液晶。

  5. 3.液晶的应用 • 液晶显示技术（高分辨、快速响应、彩显）

  6. 3.液晶的应用 液晶显示原理图

  7. 3. 液晶的应用 • 液晶光学元件：快门、光圈、透镜、偏振片、光存储器 • 液晶传感器：温度、电压、流速、加速度、压力传感器，大气污染监测 • 液晶热图象：医学、生物领域应用 • 液晶聚合物、新型功能材料（记忆元件、光学元件）；纺织、变色纤维；微胶囊技术、印刷油墨

  8. 二、热致液晶的结构和分类 热致液晶按分子排列状态可分为: 向列相 近晶相 胆甾相

  9. 向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶 向列液晶在偏光显微镜 下的图象

  10. 向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。

  11. 近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 隧道显微镜下的近晶相层状液晶

  12. 近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。

  13. 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。 • 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。 • 胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶

  14. 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。 • 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。 • 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。

  15. 三、热致液晶相变 1. 互变相变（可逆相变） 2. 单变相变

  16. 四、液晶的光学特性 1. 液晶的各向异性 • P型液晶 （Δε>0） 正介电各向异性液晶 • N型液晶（Δε<0） 负介电各向异性液晶 液晶长轴ε∥ 液晶短轴ε⊥

  17. 2. 液晶的双折射 • 以P型为例，长轴为光轴 • 向列液晶有 ，所以Δn>0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 • 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：

  18. 由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性： • 能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； • 使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； • 使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特性设计制造的。

  19. 五、本实验的内容与要求 • 偏光显微镜的调整与校正； • 了解并观察液晶光学性质—双折射效应 • 测定单轴液晶的光轴取向和光性符号； • 观察和研究液晶的相变过程。 本实验是一个两周内完成的综合实验，具体内容与要求请参阅教材；对液晶的相关性质及应用请查阅相关资料

  20. 实验仪器

  21. 实验仪器

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