Electro-optically induced responses and diffractive effects in liquid crystal cells : investigating experiments & simulations

Abstract

This thesis aims at developing theories and numerical modeling of electro-optical responses induced in nematic liquid crystal (NLC) cells. Studies were done in couple of test cells with different configurations and designs. Simulations were performed by means of 𝑸-tensor approach. In planar test cells with specific application of a ferroelectric substrate, i.e., iron doped lithium niobate (Fe:LiNbO3), director field realignment and defect generations were investigated. In such test cells, a photovoltaic (PV) electric field was induced in the ferroelectric substrate due to the charge carrier separation, which had a bell shape distribution in the LC film near to the interface of LC with substrate. The photovoltaic (PV) electric field can exceed the Fréedericksz threshold inducing director field realignment. Equipping test cells with indium tin oxide (ITO) as thin electrode enhanced the LC responses due to the surface photorefractive effect. Impact of the electric behavior of the ITO and its semiconducting mode of operation on the undoped NLC realignment was mysterious and unclear to some extents. There were some complexities remaining to be solved and explained. In this thesis, the key role of ITO in the surface photorefractive effect, hence LC director reconfiguration, was explained and clarified. Studying the impact of ITO on the director field realignment in hybrid test cells with the ferroelectric substrate led to a new finding regarding generation of optical vortices (OVs) as a result of umbilical defect creation in the nematic liquid crystals with positive dielectric anisotropy. For comparison, umbilical defect formation in LC slab filled with nematic LC with negative dielectric anisotropy was studied. Slab was lit by a plane light beam being incident normally on the surface. LC was initially in homeotropic alignment provided by a suitable anchoring agent on the surfaces. Director field realignment was induced by a static electric field with a uniform distribution in the slab and being initially aligned with the LC optical axis. Phase grating in neat LC cell and in cells incorporated with polymer in an in-plane switching (IPS) geometry (striped electrodes) were investigated. As the first step, diffraction properties of ideal rectangular gratings attributed to the IPS cells were studied. The model was further developed by modeling director field realignments as a function of applied voltage. Director field reorientation from initial planar alignment induces phase delay between the extraordinary and ordinary waves of the incoming electromagnetic light beam, hence creating phase grating due to the fringe electric field distribution in the IPS cells. The phase gratings in the neat NLC cell and in polymer network NLC cells were simulated. By means of fast Fourier transform method, diffraction patterns were modeled and compared with the experimental results. Disclination walls located on top of the electrodes were obtained in IPS test cells filled with neat NLC, where the rubbing angle was supposed equal to zero.

Diese Arbeit zielt darauf ab, Theorien und numerische Modelle elektro-optischer Reaktionen zu entwickeln, die in nematischen Flüssigkristallzellen (NLC-Zellen) induziert werden. Untersuchungen wurden in Testzellen mit unterschiedlichen Konfigurationen und Ausführungen durchgeführt. Die Simulationen erfolgten mittels eines Q-Tensor-Ansatzes. In planaren Testzellen mit spezifischer Beschichtung mit einem ferroelektrischen Substrat, d. H. eisendotiertem Lithiumniobat (Fe: LiNbO3), wurden die Umorientierung des Direktorfeldes und die Entstehung von Defekten untersucht. In solchen Testzellen wird im ferroelektrischen Substrat ein elektrisches Photovoltaik-Feld induziert. Das geschieht aufgrund der Ladungsträgertrennung, im LC-Film nahe der Grenzfläche von LC und Substrat, die eine Glockenformverteilung aufweist. Das elektrische Feld der Photovoltaik (PV) kann die Fréedericksz-Schwelle überschreiten, was zu einer Neuausrichtung des Direktorfeldes führt. Die Ausrüstung von Testzellen mit Indiumzinnoxid (ITO) als dünner Elektrode verbesserte die LC-Reaktionen aufgrund des photorefraktiven Oberflächeneffekts. Der Einfluss des elektrischen Verhaltens des ITO und seiner halbleitenden Eigenschaften auf die Umprientierung des undotierten NLC war rätselhaft und teilweise unklar. Es blieben dabei noch einige komplexe Fragen zu lösen und zu klären. In der vorliegenden Arbeit wird die Schlüsselrolle des ITO für den photorefraktiven Oberflächeneffekt und damit für die Umorientierung des LC-Direktors beschrieben und geklärt. Die Untersuchung des Einflusses von ITO auf die Neuausrichtung des Direktorfeldes in Hybrid-Testzellen mit dem ferroelektrischen Substrat führte zu einem neuen Ergebnis hinsichtlich der Erzeugung optischer Wirbel (OVs) als Ergebnis der Entstehung von Nabeldefekten (Umbiliken) in nematischen Flüssigkristallen mit positiver dielektrischer Anisotropie. Zum Vergleich wurde die Bildung solcher Nabeldefekte in einer mit nematischem LC gefüllten LC-Platte mit negativer dielektrischer Anisotropie untersucht. Die Platte wurde von einem ebenen Lichtstrahl beleuchtet, der normal auf die Oberfläche fiel. Der LC befand sich anfänglich in homöotroper Ausrichtung, die durch geeignete Verankerung an den Oberflächen realisiert wurde. Die Reorientierung des Direktorfeldes wurde durch ein statisches elektrisches Feld mit einer gleichmäßigen Verteilung in der Platte induziert, das anfänglich mit der optischen Achse des LC ausgerichtet war. Phasengitter wurden in reinen LC-Zellen untersucht und in Zellen mit In-Plane-Switching-Geometrie (IPS, Streifenelektroden), die ein inneres Polymergerüst enthielten. Im ersten Schritt wurden die Beugungseigenschaften idealer rechteckiger Gitter untersucht, die den IPS-Zellen vergleichbar sind. Das Modell wurde weiterentwickelt, indem Feldausrichtungen des Direktors als Funktion der angelegten Spannung modelliert wurden. Die Umorientierung des Direktorfeldes von der anfänglichen planaren Ausrichtung induziert eine Phasenverzögerung zwischen den außerordentlichen und ordentlichen Wellen des einfallenden elektromagnetischen Lichtstrahls, wodurch aufgrund der Verteilung des elektrischen Randfeldes in den IPS-Zellen ein Phasengitter erzeugt wird. Die Phasengitter in der reinen NLC-Zelle und in Polymernetzwerk-NLC-Zellen wurden simuliert. Mittels der schnellen Fourier-Transformation wurden Beugungsmuster modelliert und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Über den Elektroden befindliche Splay-Wände des Direktors wurden in IPS-Testzellen gefunden, die mit reinem NLC gefüllt waren, wobei ein Reibewinkel (Vorzugsorientierung) von Null angenommen wurde.