AFM Untersuchungen an smektischen Flüssigkristallen
Fokalkonische Domänen in smektischen Filmen
AFM Studies of Smectic Liquid Crystals
Focal Conic Domains in Smectic Films
by Wei Guo
Date of Examination:2009-07-07
Date of issue:2009-08-12
Advisor:Prof. Dr. Stephan Herminghaus
Referee:Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Referee:Dr. Christian Bahr
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
This thesis presents an experimental study of focal conic domains in smectic liquid crystal films on solid substrates. Focal conic domains are complex structures in smectic phases and are likely to play an important role in the future development of novel self-assembling soft matter systems. In smectic films on solid substrates, the generation of focal conic domains can be enforced by antagonistic molecular anchoring conditions at the film interfaces, i. e., random planar at the substrate interface and homeotropic at the air interface. The variation of the anchoring conditions at the substrate interface and the resulting influence on the morphology, properties, and spatial arrangement of focal conic domains were the main objects of the present study.The relation between the diameter of the focal conic domains, the thickness of the smectic film, and the anchoring strength of the substrate has been studied. The strength of the planar anchoring on the solid substrate was systematically varied by coating the substrates with special alkoxysilane compounds. For each anchoring strength value, the relation between the size of the focal conic domains and the film thickness was determined. Analyzing the experimental results by a theoretical model enabled the quantitative determination of the strength of the planar anchoring of the smectic phase on the substrate.The curved arrangement of the smectic layers in focal conic domains leads to a depression in the film/air interface above each domain. The depth of these depressions enables to estimate the magnitude of the elastic modulus controlling the dilation or compression of the smectic layers. The depression depth was measured in di erent smectic phases and at di erent phase transitions. In some cases, e. g., at second-order smectic-A nematic transitions, a pronounced temperature dependence of the depression depth was observed, indicating a softening of the smectic layers.A method to prepare anchoring patterns on the substrates is described. The substrates were structured in a way that areas with homeotropic anchoring conditions alternate with areas possessing random planar anchoring conditions. When smectic films were prepared on such substrates, focal conic domains formed only on the planar anchoring areas, i. e., the anchoring pattern was translated into a presence-and-absence pattern of focal conic domains. The lateral dimensions of the planar anchoring areas determined an upper limit for the diameter of the focal conic domains. Thus, almost arbitrary two-dimensional arrangements of focal conic domains can be achieved by controlling the size and position of individual domains.Smectic liquid crystal films have been also studied on crystalline substrates with uniaxial planar anchoring conditions. On such substrates, all liquid crystal molecules are aligned parallel to the surface and point into one direction. In thin smectic films on these substrates, linear domains with a hemicylinder-like shape were observed. The relation between the film thickness and the distance and depth of the hemicylinder structures was studied. In thicker films, the linear domains are decorated with a complex corrugated pattern, which becomes more pronounced on further increasing the thickness, and finally ends with the formation of circular focal conic domains.
Keywords: Smectic Liquid Crystal; AFM; Focal Conic Domains
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung von fokalkonischen Domänen in smektischen Flüssigkristallfilmen auf festen Substraten. Fokalkonische Domänen sind komplexe Strukturen in smektischen Phasen, die eine wichtige Rolle in der zukünftigen Entwicklung von neuartigen weichen selbstorganisierenden Systemen spielen könnten. Die Bildung von fokalkonischen Domänen kann in smektischen Filmen durch antagonistische molekulare Verankerungsbedingungen an den Grenzflächen planare Verankerung ohne Vorzugsrichtung am Substrat und homöotrope Verankerung an der freien Oberfläche erzwungen werden. Die Variation der Verankerungsbedingungen an der Grenzfläche zum Substrat und der daraus resultierende Einfluss auf die Morphologie, die Eigenschaften und die räumliche Anordnung der fokalkonischen Domänen war der wesentliche Gegenstand der vorliegenden Untersuchung.Der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der fokalkonischen Domänen, der Dicke der smektischen Filme und der Verankerungsstärke auf der Substratoberfläche wurde untersucht. Die Beschichtung der Substrate mit bestimmten Alkoxysilanverbindungen ermöglichte eine systematische Variation der Stärke der planaren Verankerung auf dem festen Substrat. Für jeden Wert der Verankerungsstärke wurde die Grösse der fokalkonischen Domänen als Funktion der Filmdicke bestimmt. Die Analyse der experimentellen Daten mithilfe eines theoretischen Modells ermöglichte die quantitative Bestimmung der planaren Verankerungsstärke der smektischen Phase auf dem Substrat.Die Krümmung der smektischen Schichten in fokalkonischen Domänen führt zu einer Vertiefung in der Film/Luft-Grenzfläche über jeder Domäne. Aus dem Betrag der Tiefe dieser Vertiefungen lässt sich die Grösse des Elastizitätsmoduls abschätzen, der die Dehnung und Kompression der smektischen Schichten kontrolliert. Die Tiefe der Vertiefungen wurde in verschiedenen smektischen Phasen und an verschiedenen Phasenübergängen gemessen. In einigen Fällen, beispielsweise an smektisch-A nematisch Phasenübergängen zweiter Ordnung,wurde eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der Tiefe beobachtet, die auf eine starke Abnahme des Elastizitätsmoduls bzw. einWeichwerden der der smektischen Schichten hindeutet.Eine Methode zur Herstellung von Mustern aus verschiedenen Verankerungsbedingungen auf den Substraten wurde beschrieben. Dazu wurden die Substrate in der Weise strukturiert, dass auf der Oberfläche sowohl Flächen mit homöotroper Verankerung als auch Flächen mit planarer Verankerung vorhanden sind. Wenn smektische Filme auf solchen Substraten präpariert werden, bilden sich fokalkonische Domänen nur auf den Oberflächen mit planarer Verankerung. Die seitlichen Abmessungen der Substratflächen mit planarer Verankerung legen die Obergrenze für den Durchmesser der fokalkonischen Domänen fest. Auf diese Weise kann sowohl die Position als auch die Grösse einzelner Domänen kontrolliert werden, sodass sich fast beliebige zweidimensionale Anordnungen von fokalkonischen Domänen erzeugen lassen.Weiterhin wurden smektische Flüssigkristallfilme auf kristallinen Substraten untersucht, die planare Verankerungsbedingungen in Kombination mit einer bevorzugten Ausrichtung der Moleküle aufweisen. Auf diesen Substraten ordnen sich die Flüssigkristallmoleküle parallel zur Substratoberfläche an und orientieren sich zusätzlich mit ihren Längsachsen parallel zu dieser Vorzugsrichtung. In dünnen smektischen Filmen auf solchen Substraten wurden lineare Domänen beobachtet, in denen die smektischen Schichten konzentrische Halbzylinderstrukturen bilden, wobei die freie Oberfläche eine wellblechartige Form zeigt. Der Zusammenhang zwischen der Filmdicke und der Breite der linearen Domänen sowie der Tiefe der linearen Vertiefungen an der freien Oberfläche dieser Filme wurde untersucht. Mit zunehmender Filmdicke sind komplexere Strukturen zu beobachten, die schliesslich in zirkulare fokalkonische Domänen übergehen.
Schlagwörter: smektischen Flüssigkristallen; AFM; Fokalkonische Domänen