教學(xué)案例一用偏光顯微鏡研究液晶的相變及光學(xué)特性武漢大學(xué)PPT課件

1、一、液晶簡介一、液晶簡介l 液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到19世紀(jì)末，1888年奧地利的植物學(xué)家FReinitzer在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱使溫度升高到一定程度后，結(jié)晶的固體開始深解。但溶化后不是透明的液體，而是一種呈混濁態(tài)的粘稠液體，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤。當(dāng)再進(jìn)一步升溫后，才變成透明的液體。這種混濁態(tài)粘稠的液體是什么呢？1.1.液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的發(fā)現(xiàn)第1頁/共22頁l他把這種粘稠而混濁的液體放到偏光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)這種液體具有雙折射性。l于是德國物理學(xué)家DLeimann將其命名為“液晶”，簡稱為“LC”。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為LCD。第2頁/共22頁2. 2. 液晶

2、的基本特性液晶的基本特性l液晶實際上是物質(zhì)的一種形態(tài)，它是一種處于“完全有序的周期性結(jié)構(gòu)”和“完全無規(guī)則結(jié)構(gòu)”之間的介晶態(tài)，它具有長程有序和各向異性的特征。l液晶具有液體的一些特征流動性、不能承受切變力、可形成液滴等。同時又具有晶體的某些特征分子的取向有序性；光折射率、介電常數(shù)、電阻率、磁化率、粘滯系數(shù)、彈性系數(shù)均為各向異性。l液晶分為兩大類：溶致液晶和熱致液晶。前者要溶解在水或有機(jī)溶劑中才顯示出液晶態(tài)，后者則要在一定的溫度范圍內(nèi)才呈現(xiàn)出液晶狀態(tài)。本實驗采用的是熱致液晶。第3頁/共22頁3.3.液晶的應(yīng)用液晶的應(yīng)用液晶顯示技術(shù)（高分辨、快速響應(yīng)、彩顯）第4頁/共22頁3.3.液晶的應(yīng)用液晶的應(yīng)

3、用 液晶顯示原理圖第5頁/共22頁3. 3. 液晶的應(yīng)用液晶的應(yīng)用n 液晶光學(xué)元件：快門、光圈、透鏡、偏振片、光存儲器n 液晶傳感器：溫度、電壓、流速、加速度、壓力傳感器，大氣污染監(jiān)測n 液晶熱圖象：醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域應(yīng)用n 液晶聚合物、新型功能材料（記憶元件、光學(xué)元件）；紡織、變色纖維；微膠囊技術(shù)、印刷油墨第6頁/共22頁二、熱致液晶的結(jié)構(gòu)和分類二、熱致液晶的結(jié)構(gòu)和分類 熱致液晶按分子排列狀態(tài)可分為: : 向列相 近晶相 膽甾相第7頁/共22頁向列相液晶（Nematic）又稱絲狀液晶 向列液晶在偏光顯微鏡下的圖象第8頁/共22頁 向列型液晶由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態(tài)。因

4、為分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，所以像液體一樣富于流動性。正由于向列型液晶分子的這種一致排列，使得它的光學(xué)特性很像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應(yīng)力都比較敏感，是顯示器件上廣泛使用的材料。第9頁/共22頁近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶 隧道顯微鏡下的近晶相層狀液晶第10頁/共22頁 近晶相液晶按層狀排列，由棒狀或條狀分子呈二維有序排列組成。層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列。層與層之間的作用較弱，容易滑動，因此具有二維的流動特性。近晶相液晶的粘度與表面張力都較大，用手摸有似肥皂的滑澀感，對外界的電、磁、溫度變化都不敏感。這

5、種液晶光學(xué)上顯示正的雙折射性。 第11頁/共22頁膽甾相液晶（Cholestevic），也稱螺旋狀液晶 膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，但層內(nèi)分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直這個平面上，每層分子都會旋轉(zhuǎn)一個角度。液晶整體呈螺旋結(jié)構(gòu)。螺距的長度是可見光波長的數(shù)量級。第12頁/共22頁由于膽甾型液晶的分子排列旋轉(zhuǎn)方向可以是左旋，也可以是右旋，當(dāng)螺距與某一波長接近時，會引起這個波長光的布拉格散射，呈某一種色彩。膽甾型液晶具有負(fù)的雙折射性質(zhì)。一定強(qiáng)度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相液晶易受外力的影響，特別對溫度敏感，由于溫度主要引起螺距的改變，因

6、此膽甾相液晶隨溫度改變顏色。 第13頁/共22頁三、熱致液晶相變?nèi)?、熱致液晶相?. 互變相變（可逆相變）2. 單變相變第14頁/共22頁第15頁/共22頁四、液晶的光學(xué)特性1. 1. 液晶的各向異性液晶的各向異性 P型液晶 （0）正介電各向異性液晶 N型液晶（0，即向列液晶一般都呈現(xiàn)正單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)。 膽甾型液晶具有負(fù)單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，這是因為：/nne nn0 nn/2122/)(21nnnO nne0Oennn第17頁/共22頁 由于液晶具有單軸晶體的光學(xué)各向異性，所以具有以下光學(xué)特性：l能使入射光沿液晶分子偶極矩的方向偏轉(zhuǎn)；l使入射的偏光狀態(tài)，及偏光軸方向發(fā)生變化；l使入射的左旋及右旋偏光產(chǎn)生對應(yīng)的透過或反射。 液晶器件基本就是根據(jù)這三種光學(xué)特性設(shè)計制造的。第18頁/共22頁五、五、本實驗的內(nèi)容與要求本實驗的內(nèi)容與要求1.偏光顯微鏡的調(diào)整與校正；2.了解并觀察液晶光學(xué)性質(zhì)雙折射效應(yīng)3.測定單軸液晶的光軸取向和光性符號；4.觀察和研究液晶的相變過程。