液晶的物理性质
液晶的物理特性实验报告
液晶的物理特性实验报告1.实验目的：1 . 初步掌握液晶的结构特点和物理性质;2 . 通过观测液晶旋光色散、液晶光栅等液晶的电光特性现象, 了解液晶的简单应用。
2.实验仪器：白炽灯, 偏振片( 两个) , 液晶盒及电源, 白屏, 半导体激光器( 650 n m) 及不同波长的发光二极管光源。
3.实验步骤及内容原理：1 . 液晶液晶与各向同性液体的主要区别在于它在结构上具有一定程度的有序性。
由于液晶分子一般呈细长棒状, 分子长轴的有序排列将使液晶具有各向异性。
分子长轴的方向相当于液晶的光轴, 与普通晶体材料的光轴类似。
由于液晶是液体, 其分子的排列方向易受外界条件的影响, 即液晶的光轴可以随外界条件改变, 使得液晶与一般晶体相比, 具有更多的电光特性。
本实验使用的液晶材料被封装在两片涂有透明导电薄膜的玻璃中, 玻璃的表面是经过特殊处理的( 比如将玻璃表面沿某一方向擦一下, 液晶分子将沿此方向很规则的排列) ,液晶分子的排列将受表面的影响, 这种装置称为液晶盒。
图33-1 显示了液晶沿经过特殊处理的表面, 按照一定规律排列的典型情况。
2 . 旋光色散扭曲排列液晶由于具有螺旋结构, 因而具有很强的旋光特性, 其旋光本领与波长有关。
如图33-2 所示, 以线偏振的白光垂直入射到液晶盒上, 旋转检偏器, 可以发现从检偏器透射出的光呈现出不同的色彩。
若在起偏器前放不同波长的光源, 可以看到, 线偏振光经过液晶后, 仍然是线偏振光, 且旋转了一定的角度, 而且不同颜色光所转的角度也不同, 这种色散现象称为旋光色散。
在外电场的作用下, 液晶分子将改变其排列方式, 从而导致液晶折射率的改变,这就是液晶的电光效应。
当电场足够强时, 有的液晶分子将平行于电场方向排列, 称为正性液晶; 有的则会垂直于电场方向排列, 称为负性液晶。
扭曲向列相液晶的旋光特性来源于它的螺旋结构, 如图33-3(a) 所示, 其旋光本领可由下式给出:4.实验数据处理与讨论：1.解释：偏振白光垂直入射液晶后不同波长的光的偏振方向旋转的角度不同从而某个波长的光无法透过检偏器光屏上将看到这种颜色的补色。
液晶物性实验报告
液晶物性实验报告【摘要】本实验主要是对液晶的各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。
通过对液晶盒的扭曲角、电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观测和分析，测得液晶盒的扭曲角为108°，液晶的线偏振度周期约为90°，测得可通过增大间歇频率，减小液晶的响应时间，还用白光光源观察了衍射特性，测得光栅常数a?5.93?10m。
?6【关键词】液晶光学特性旋光度光电效应衍射各向异性一、引言19世纪末奥地利植物学家莱尼兹尔在测定有机化合物熔点时发现了液晶。
液晶（Liquid Crystal简称LC）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。
近十年来液晶科学获得了许多重要的发展，使得液晶得到极为广泛的应用，为当代新兴的液晶工业体系奠定了基础，同时亦促进了液晶的基础理论研究。
本实验主要是对液晶的各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。
二、实验原理（一）、液晶的基础物理性质 1、液晶的介电各向异性液晶的各项异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。
当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同。
当一个任意取向的分子被外电场极化时，各方向上的极化率不同，造成分子感生电极矩的方向和外电场的方向不同，从而使分子发生转动。
旋转将引起类似于弹性恢复力造成的反方向力矩，使得分子在转动一个角度后不再转动。
因此产生电场对液晶分子的取向作用。
2、杆形液晶分子的排列方式：由杆形分子形成的液晶，其液晶相可根据分子排列的平移和取向有序性分为三类：近晶相、向列相和胆甾相。
图1 液晶分子的三种不同排列方式3、液晶的光学各向异性光在液晶中传播会产生寻常光（o光）与非寻常光（e光），表现出光学的各项异性。
所以液晶的光学性质也要通过两个主折射率n_''、n_⊥描述。
由于n_''和n_⊥不同，o光与e光在液晶中传播时产生相位差，使得出射光的偏振态发生变化。
液晶材料与应用
液晶材料与应用液晶材料是一种特殊的材料，具有独特的物理性质和广泛的应用领域。
本文将深入探讨液晶材料的特性、分类和常见的应用。
一、液晶材料的特性液晶材料是介于液体和固体之间的物质，具有以下几个显著的特性：1. 各向同性和各向异性：液晶材料在不同方向上的性质不同，呈现各向异性的特点。
2. 可逆性：液晶材料能够在外界刺激下改变其分子排列，并在刺激消失后恢复原来的状态。
3. 电光效应：液晶材料在电场的作用下，能够改变其透明度和折射率，实现电光调制。
二、液晶材料的分类根据液晶材料的分子结构和性质，液晶材料可以分为以下几类：1. 双折射液晶：这种液晶材料具有双折射性，适用于制造宽视角显示器。
2. 同性液晶：同性液晶材料具有相同的折射率，常用于制作电光开关和光调制器。
3. 程序液晶：程序液晶材料是一种可以通过改变驱动电压来控制透光度的材料，广泛应用于液晶显示屏等领域。
4. 胆甾类液晶：胆甾类液晶材料具有良好的生物相容性，可用于制备生物传感器和药物传递系统。
5. 高分子液晶：高分子液晶材料是由具有液晶性能的高分子构成，可用于制备高强度和高导电性的材料。
三、液晶材料的应用液晶材料在各个领域有着广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：1. 液晶显示技术：液晶显示器以其优秀的图像质量、低功耗和薄型化等特点，成为目前最主流的显示技术。
液晶显示器被广泛应用于电视、电脑显示器、智能手机和平板电脑等电子产品中。
2. 光电子技术：液晶材料具有优异的光学性能和电光调制特性，被广泛应用于光电开关、光调制器、光学传感器等领域。
3. 生物医学领域：液晶材料的各向异性和生物相容性使其成为制备仿生材料和生物传感器的理想选择。
4. 光学信息存储技术：液晶材料的各向异性和可逆性使其被用于光学信息存储和光学记忆技术中。
5. 光学元件制造：液晶材料可以制备各种光学元件，如偏光镜、偏光片、液晶滤光器等。
总结：液晶材料作为一种特殊的材料，具有独特的物理性质和广泛的应用领域。
9.液晶的物理光学特性
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
当电压低于该阈值电压时，外界的入射光就不会发 生散射现象。 产生动态散射必须的三个条件：
(1) 液晶盒要有足够的厚度（≥6μm）； (2) 液晶材料的阻值要低（低于2×1010Ω· cm）； (3) 介电各向异性必须为负值。
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射有两种作用，一种是无存储作用，另一种 是有存储作用。 无存储作用：施加电压在阈值电压上下变换；
TC T SK TC
当温度上升时，有序参量S下降，从而会导致液晶显 示器质量下降。
2. 液晶的物理特性——各向异性
液晶分子一般都是刚性的棒状分子。 由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，液晶分 子在长轴和短轴两个方向上具有不同性质，成为极性 分子。
由于分子间的作用力而有序排列 —— 液晶分子长轴 总是相互平行，或有一个择优方向，而分子质心则呈 自由状态。
3. 电控双折射效应
对液晶施加电场时液晶排列方向发生变化。 由于排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的 光，将在液晶中发生双折射。
液晶的相转变温度
液晶的相转变温度一、液晶简介液晶是一种介于固态与液态之间的物质状态，具有独特的物理性质。
它既具有固态的有序结构，又具有液态的流动性。
液晶在不同的条件下可以发生相转变，这种相转变温度即为液晶的相转变温度。
二、相转变温度的概念相转变温度指的是物质在一定条件下，从固态向液态转变或从液态向固态转变的温度。
对于液晶而言，相转变温度是一个重要的性能指标，因为它直接关系到液晶器件的实用性。
三、液晶相转变温度的影响因素液晶的相转变温度受多种因素影响，如分子结构、分子排列、外部场效应等。
分子结构和排列影响着液晶的有序性，从而影响相转变温度；外部场效应如电场、磁场等可以改变液晶分子的排列方式，进而影响相转变温度。
四、相转变温度在实际应用中的重要性相转变温度在液晶器件的应用中具有重要意义。
液晶显示屏、触摸屏等设备的工作原理都与液晶的相转变有关。
相转变温度的高低决定了液晶器件的响应速度、能耗、视角等性能指标，直接关系到设备的实用性和市场竞争力。
五、提高液晶相转变温度的方法提高液晶相转变温度可以采用以下几种方法：1.优化分子结构，提高分子有序性；2.调整分子排列方式，提高液晶有序性；3.利用外部场效应，如电场、磁场等改变液晶分子排列，提高相转变温度；4.采用新型材料，如高分子液晶、金属有机框架液晶等，提高相转变温度。
六、未来发展趋势与展望随着科学技术的不断发展，液晶相转变温度在新型显示技术、生物医学、能源等领域有着广泛的应用前景。
未来，液晶研究者将继续探索新型液晶材料，提高相转变温度，以满足不断增长的科技需求。
综上所述，液晶的相转变温度是一个重要的性能指标，影响着液晶器件的实用性。
液晶材料的性质及其应用
液晶材料的性质及其应用液晶是一种特殊的物质形态，它既表现出固体的有序性质，同时又具有液态的流动性。
液晶作为现代化学和材料科学中的重要研究对象，因其独特的性质，已被广泛应用于电子显示、光电子、传感器等领域。
1. 液晶材料的基本性质液晶材料的特殊性质是由其分子结构所决定的。
液晶分子通常具有线性、扭曲、杯形等不同的结构形态。
由于液晶分子自身具有偶极性，使得分子在外部场的作用下呈现出与其它物质不同的取向和排列规律，从而显示出其独特的物理性质。
液晶材料具有重要的光学性质，如自然双折射等。
当液晶分子在外部场作用下发生旋转时，其两个折射率也会发生变化。
利用这种特性，可以制成各种光学器件，如偏振器、光阀、液晶电视等。
液晶材料还具有电学和机械性能。
在外施电场的作用下，液晶分子能够发生取向改变，从而导致电光效应、电热效应、电流效应等现象的产生。
液晶材料的机械性质也是研究的重点之一，如液晶弹性、液晶稳定性、液晶流动性等。
2. 液晶材料的应用现代信息技术的快速发展使得液晶材料的应用得到了广泛的关注。
液晶电视、电脑液晶显示器、液晶手表等产品已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
此外，液晶材料还被应用于太阳能电池板的制造、生物传感、光谱分析和二维码等领域。
（1）液晶显示技术液晶显示技术是液晶材料最广泛应用的领域之一。
液晶显示器利用外施电场改变液晶分子的取向来控制光的透过和阻挡，从而实现图像的变化。
与传统的阴极射线管相比，液晶显示器有体积小、重量轻、功耗低、易于携带等优势特点。
液晶显示技术不仅仅在消费电子领域得到广泛应用，也在医学显示、航空航天、军事卫星等领域发挥重要作用。
随着科技的发展，液晶显示技术也在不断创新，如曲面屏、可卷曲显示器等。
（2）光电子与传感器液晶材料的特殊光学性质使得其在光电子领域的应用也日益广泛。
液晶光电效应可以用于制造压电光学器件、光纤光栅等，这些器件被广泛用于通信、调制与成像等领域。
另外，液晶材料还被用于生物传感，可以制作出高灵敏度、高选择性、重复使用的生物传感器。
第2讲 液晶的物理性质
4. 光学各向异性
• 光学各向异性是电磁波通过介电各向异 性材料解麦克斯韦尔方程的结果. • 对于向列型液晶, 结论为折射率椭球. 以 后还要介绍. • 对于胆甾型液晶, 有三种效应: 光波导效应、布拉格效应、旋光效应
• 折射率椭球：
n//
n
//
n
n
n
x n
2 2
y n
2 2
z n
3
写出非零的项：
1
C 0 P0 ( x )
1
j ( x ) dx
1 2
1
1
C 2 P2 ( x )
1
1
j ( x )( 3 x 1) dx
2
4 2
C 4 P4 ( x )
8 1
j ( x )( 35 x 30 x 3 )dx
将
f (q ) j (cos q )
于是：
11 33 //
液晶的介电各向异性常表示为： // 其中//和分别表示平行于和垂直于指向矢。
若液晶的 // 0
该种液晶为正性液晶, 以Np 表示;
反之, 则为负性液晶, 以Nn表示。 Np液晶在电场下的性质:
2 另一方面，若液晶相分子高度一致取向时，平均势将变得很大，分子混乱 时取向时，平均势将很小，分子完全混乱时，平均势为零，所以平均势V 中还必须包括有序参数S这一因子，S=<P2(cosθ)>。还有，取向势函数的 大小与材料有关，不同的材料与有不同的势函数，势函数中必须包含一个 随材料的不同而异的比例因子υ。把上述三方面的因素相乘，就人为地构 造了其它分子对某一分子产生的平均势——取向势函数V：
液晶的物理学和应用
液晶的物理学和应用摘要液晶是一种特殊的物质，在过去的几十年中得到了广泛的研究和应用。
本文将介绍液晶的物理学和应用。
在物理学方面，将讨论液晶的结构和性质、液晶分子的排列方式和相互作用，以及液晶的相变和响应性质。
在应用方面，将讨论液晶在液晶显示器、液晶光学器件、液晶电视等方面的应用，并介绍一些新兴应用领域，如液晶生物传感器和液晶光子晶体。
本文旨在为读者提供对液晶的深入理解，并展望液晶在未来的应用前景。
关键词：液晶，结构，性质，相变，响应性质，应用引言液晶是一种特殊的物质，具有介于液态和固态之间的特性。
它们可以在外部电场或光场的作用下改变其光学性质，这使得液晶在液晶显示器、液晶光学器件、液晶电视等方面有广泛的应用。
在本文中，我们将介绍液晶的物理学和应用，以期为读者提供对液晶的深入理解，并展望液晶在未来的应用前景。
液晶的物理学1.结构和性质液晶分子通常具有长而细的形状，并且它们在液态中具有有序排列的结构，这种有序结构是液晶的基本特征之一。
液晶通常可以分为三类：向列型液晶、扭曲向列型液晶和螺旋型液晶。
向列型液晶中，分子排列成平行于液晶体系轴向的长列，这些列被称为向列。
扭曲向列型液晶中，向列方向沿着液晶体系轴向缓慢地扭曲。
在螺旋型液晶中，分子排列成螺旋形，相互作用的能力，这种相互作用与液晶的物理性质密切相关。
2.分子排列方式和相互作用液晶分子排列方式和相互作用与液晶的物理性质密切相关。
液晶分子通常具有极性，这使得它们在电场作用下会发生取向，而不同类型的液晶在电场下的取向方式也不同。
在向列型液晶中，分子沿着电场方向排列，形成平行于电场方向的向列。
在扭曲向列型液晶中，分子的排列方向在电场作用下发生扭曲，而在螺旋型液晶中，分子沿着螺旋方向排列。
除了电场作用外，光场作用也可以影响液晶分子的排列方式。
对于向列型液晶，在光场作用下，液晶分子的排列方向也会发生改变。
而对于扭曲向列型液晶和螺旋型液晶，由于它们已经存在扭曲或螺旋结构，光场的影响相对较小。
液晶的物理性质
比， 即
d 其中， 为旋光本领，又叫旋光率，与入射光的波长有关。以
线偏振白光垂直入射液晶，透过液晶后，不同波长的光的偏振方向旋转的角度不同，这 种色散现象称为旋光色散。 TN 模式的最重要特点就是液晶盒的设置满足摩根条件（液晶分子的扭曲螺距和其 双折射率的乘积远大于入射光波长的一半），这样光在通过该液晶层时，其偏振面发生 的旋转就与波长无关。或者说，当满足摩根条件时，不同波长的入射光经过液晶层后各 自偏振面产生的旋转角度是一样的，旋光率在可见范围内几乎不变，所有通过 TN 型液 晶后都旋转 90 度。但 HTN 和 STN 液晶盒旋光本领在可见光范围内变化较大，可以看到 明显的眩光色散。 旋光本领：
图 4 TN 液晶电光响应曲线
电光响应曲线中，透过率最大值与最小值之比成为对比度，亦称反差，即
C Tmax Tmin
对比度越高，显示的画面就更加生动亮丽，反之则会显得平淡单调。因此，对比度的大 小直接影响到液晶显示器的显示质量。 由光电响应曲线，还可以定义以下在显示应用中常用的三个参量： 阈值电压 Vth ：将透过率为 90%时所对应的电压称为阈值电压 Vth ，即 Vth = V90 。 饱和电压 Vs :将透过率为 10%时所对应的电压称为饱和电压 Vs ，即 Vs = V10 。 阈值锐度 ：饱和电压与阈值电压之比称为阈值锐度，即 Vs Vth 。因为 Vs > Vth ， 所以 >1。 （3）液晶的响应时间 当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原来排列方式所需要的时间就是响应时 间。形象地说，响应时间作为一个性能参数，实际上就是液晶由全亮变为全暗、再由全 暗变成全亮的反应时间。 分别用上升沿时间和下降沿时间来衡量液晶对外界驱动信号的 响应速度。 上升沿时间 Ton ：透过率由最小值升到最大值的 90%时所需的时间。 下降沿时间 Toff ：透过率由最大值降到最大值的 10%时所需的时间。 在测量液晶响应时间时， 一般采用如图 5 所示的驱动信号。 当驱动信号处于高电平 时（开态），液晶处于暗态；当驱动信号处于低电平时（关态），液晶处于亮态。当驱 动信号处于高电平时， 叠加一个高频脉冲信号， 这样可以避免由于直流电驱动带来的液 晶寿命下降的问题。
液晶的显示原理
液晶的显示原理
液晶的显示原理是基于液晶分子在电场作用下的改变。
液晶是一种介于液体和固体之间的有机分子，具有比较特殊的物理性质。
液晶显示屏由两块玻璃基板之间夹着一层液晶材料构成，基板上布置有透明导电层和极化膜。
当液晶显示屏不受电场作用时，液晶分子呈现扭曲排列状态，在这种状态下，光无法通过液晶层。
然而，当电压施加在显示屏上时，电场作用使得液晶分子逐渐排列并趋于平行，这种状态称为“平行状态”。
在平行状态下，光线经过液晶层时会发生偏转而变得可见。
在液晶显示屏中，液晶分子的排列不同会导致光在通过液晶层时的偏振发生改变。
所以，在设计液晶显示屏时会加入偏振膜，用于控制光的传播方向。
在液晶显示屏的正面和背面都会有偏振膜，它们的方向垂直配对，以确保光线通过液晶层时保持某一特定的偏振方向。
当没有电压施加在液晶显示屏上时，极化膜的偏振方向会和液晶分子的排列方向垂直，光线无法透过液晶层。
然而，当电压施加在液晶显示屏上时，液晶分子排列并趋于平行，光从第一块偏振膜通过液晶层并旋转后，再被第二块偏振膜捕获，从而使光线可见。
通过控制液晶分子的排列来调节液晶显示屏的透光性，可以实现不同颜色和图像的显示。
这也是为什么液晶显示屏可以呈现丰富多样的图像和色彩。
液晶的结构与物理特性研究
液晶的结构与物理特性研究随着科技的不断进步，液晶已经成为我们日常生活中普遍存在的物质。
各种电子产品，从小到大，从早到晚，液晶作为显示器的典型代表出现在我们的面前。
液晶这个名词并不陌生，但很多人可能并不清楚它的结构和物理特性。
本文将介绍液晶的结构与物理特性研究的相关知识。
一、液晶的结构在了解液晶的结构之前，我们需要先了解一些基础知识。
液晶是一种介于液体和固体之间的物质，具有流动性和分子有序性。
液晶的分子通常是呈长条状，且有一定的吸引力和排斥力。
液晶可以有多种不同的结构形态，其中最为常见的几种结构如下：（1）向列相（nematic phase）向列相是液晶中最常见的一种结构形态，它的分子沿着一个虚拟的轴线排列成一定的顺序。
这种排列形态通常呈现出平行排列或者斜交排列的两种情况。
这种液晶的各种物理性质与普通液体相似。
（2）列相（smectic phase）列相较向列相来说分子的有序性更强，分子排列成层的形式，每一层内分子的排列方向是相同的，不同层之间的方向则可以有一定的旋转角度。
列相液晶可以进一步分为多种不同的类型，如A、B、C型，具体的区别就要涉及到分子的排列方式、结构等方面的知识了。
（3）螺旋相（chiral nematic phase）螺旋相液晶的结构是向列相液晶的变种。
它的分子也是呈长条状，但分子之间存在一定的扭曲效应，形成了一个螺旋状的结构。
这种液晶结构可以产生色彩，因为它会对光的偏振产生影响。
二、液晶的物理特性液晶之所以广泛应用于各种电子产品中，是因为它具有一些独特的物理特性。
这些物理特性可以通过液晶施加电场的方式进行控制，因此我们可以用液晶制造各种不同的显示器，如液晶电视、手机屏幕等。
1. 光学特性液晶最为突出的一种物理特性就是其对光的偏振性具有极强的影响。
液晶分子的排列方式不同，这种影响也就不同，因此它可以产生不同的光学效果。
例如，在选用合适的液晶材料和电极形式的情况下，液晶显示器可以实现“全视角”（即从任何一个角度观察都可以看到同样的图像）和“高对比度”（即暗处显示得更暗，亮处显示得更亮）等效果。
液晶材料及应用课件
液晶在传感器中的应用案例分析
案例目的
案例原理
通过案例了解液晶在传感器中的应用和技 术，掌握液晶传感器的基本原理和特点。
介绍液晶传感器的结构、分类、工作原理 及应用，重点讲解液晶传感器的工作特点 。
案例实施
案例结果与讨论
详细描述实施过程，包括敏感材料选择、 信号处理技术、接口设计等。
对案例结果进行分析，探讨液晶传感器的 性能与应用场景之间的关系，加深对液晶 传感器的理解。
传感器应用
光电传感器
01
液晶材料可以作为光电传感器中的光敏元件，将光信号转换为
电信号，实现光强度的检测和控制。
温度传感器
02
利用液晶材料的热敏特性，可以制作温度传感器，实现温度的
检测和控制。
化学传感器
03
液晶材料还可以作为化学传感器的敏感元件，通过检测特定气
体或液体来实现化学参数的监测和控制。
热致变色应用
新世纪应用
进入21世纪，液晶材料的 应用领域不断扩大，包括 生物医学、光电子、新能 源等领域。
02
液晶材料的物理性质
电学性质
响应时间
液晶材料具有较低的响应时间， 可以在毫秒级别内响应电场变化 ，这一特性使得液晶材料在电视 、计算机显示器等领域具有广泛
应用。
电压稳定性
液晶材料的电学性质具有很好的 电压稳定性，即在施加电压时， 液晶分子会迅速响应并趋于稳定
广告牌和透明显示
液晶材料可以用于制作广告牌和透明显示器，提供高清晰度、高亮度和 低能耗的显示效果。
光调制器应用
投影仪
液晶光调制器被广泛应用于投影仪中，通过调制光线实现高清晰 度的图像投影。
太阳镜和阅读镜
利用液晶的光调制特性，可以制作出具有自动调节亮度和色温的太 阳镜和阅读镜。
高分子液晶的物理性质及其应用
高分子液晶的物理性质及其应用首先，高分子液晶具有优异的机械性能。
高分子液晶聚合物的分子链具有长而有序的排列，可以形成结晶区域，这使得高分子液晶具有良好的拉伸强度、抗断裂性能和刚性。
这些特性使得高分子液晶在工业上被广泛应用于制造高强度纤维、高韧性塑料和高性能复合材料等。
其次，高分子液晶具有优异的光学性能。
高分子液晶的长分子链能够呈现有序排列，使材料具有各向异性，这导致高分子液晶具有双折射和散光现象。
另外，由于高分子液晶的结晶区域能够对光线进行选择性透过或反射，使得高分子液晶具有光调制的特性。
这些光学性能使得高分子液晶在光存储、显示器件和光传感器等领域有着广泛的应用。
第三，高分子液晶具有温度响应性。
高分子液晶的有序排列可以响应温度的变化并发生相变。
随着温度的升高，高分子液晶可以从有序排列的液晶相转变为无序排列的各态相，这种相变过程具有一定的阈温和温度范围，称为液晶-无定形相变。
这种温度响应性使得高分子液晶在温度传感器、温度控制和智能材料等领域有着广泛的应用。
最后，高分子液晶具有可形变性和可调节性。
由于高分子液晶的分子链可由长和有序排列到短和无序排列，使得高分子液晶具有可形变性。
利用外界的电场、力场或温度场等刺激，可以控制高分子液晶分子链的排列状态，从而实现材料的形状调控和机械性能的可调节性。
这种可形变性和可调节性使得高分子液晶在可编程器件、机械致动器和柔性电子器件等领域得到了广泛的应用。
综上所述，高分子液晶具有优异的机械性能、光学性能、温度响应性、可形变性和可调节性等物理性质。
基于这些性质，高分子液晶在纤维材料、塑料制品、显示器件、传感器、智能材料和柔性电子器件等领域有着广泛的应用前景。
液晶基本知识
液晶的物理特性液晶是一种介于固态和液态之间的有机化合物，即具有固态光学特性，又具有液态的流动特性，具体分析，它的物理特性有以下三种，即粘性、弹性和极化性。
(1)粘性。
液晶的粘性从流体力学的观点来看，可以说是一种具有排列性质的流体，依照作用力量的不同，可以产生不同的效果。
(2)弹性。
液晶的弹性表现为，当外加力量后，能呈现有规则方向性的变化。
比如，当光线射入液晶物质中时，即产生按照液晶分子的排列方式行进，而产生自然的偏转现象。
(3)极化性。
液晶的极性即液晶中的电子结构。
液晶具备很强的电子共轭运动能力，当液晶分子受到外加电场的作用时，便很容易被极化而产生感应偶极性。
液晶显示器就是利用液晶这些特性，通过科学的装配，使液晶产生光电效应，从而显示光栅和图像。
液晶显示技术概念(液晶的物理特性)通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。
让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
就技术面而言，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。
当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。
液晶材料是随着LCD 器件的发展而迅速发展，从联苯腈、酯类、含氧杂环苯类、嘧啶环类液晶化合物逐渐发展到环已基（联）苯类、二苯乙炔类、乙基桥键类和各种含氟芳环类液晶化合物，最近日本合成出结构稳定的二氟乙烯类液晶化合物，其分子结构越来越稳定，不断满足STN、TFT-LCD的性能要求。
虽然世界液晶显示器的市场量越来越大，但我国液晶行业在其中的份额却很小，而且仍是集中在TN液晶材料方面，在TFT液晶材料方面是一片空白。
这些使得我国在世界液晶市场中缺乏竞争力，强烈呼吁国家应当采取积极措施，加强液晶显示器件与材料研究开发的人力与资金投入，以振兴中华液晶显示行业。
我国STN-LCD用液晶材料的研究和应用2006-10-28我国STN-LCD用液晶材料的研究和应用前景鉴于成本的因素，TFT-LCD将不可能完全代替STN-LCD原有的在移动通讯和游戏机等领域的应用。
9.液晶的物理光学特性
2. 液晶的物理特性——各向异性
3. 光学折射率各向异性△n 光在液晶中传播时，会发生光学折射率各向异性， 即双折射。折射率(n)的大小受液晶分子结构影响 。 当光通过向列相液晶(单轴晶体)时，若非寻常光的折 射率(ne)大于寻常光的折射率(n0)，即ne>no，这表明光 在液晶中的传播速度(v)存在着ve<v0的关系，即寻常光 的传播速度大——这种液晶在光学上称为正光性。 向列相液晶几乎都是正光性材料；而胆甾相液晶的 光轴与螺旋平行，与分子长轴垂直，非寻常光的折射 率小，即ne<n0，所以胆甾相液晶为负光性材料。
2. 液晶的物理特性——各向异性
1. 介电各向异性Δε 介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度。 液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的 重要参数。
设分子长轴方向的单位矢量为 n，分子永久电偶极矩 为 r ，液晶 n 与 r 的夹角为θ。 实验发现：不同类型的液晶分子，它们的θ不是接近 0° ，就是接近 90° 。即分子永久偶极矩偏向于平行分 子长轴或垂直分子长轴。
液晶分子长轴的平均方向称为该液晶的指向矢(n)。 沿分子长轴平均方向为平行(∥)方向； 沿分子短轴平均方向为垂直(⊥)方向。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
热致液晶的物理性质
热致液晶的物理性质热致液晶在液晶显示器件中得到广泛应用。
它的物理参数，诸如介电各向异性、电阻率、粘度、光学各向异性（双折射）、弹性常数等是显示器件设计的重要依据，而这些物理参数又与液晶分子结构密切相关。
（1）介电各向异性（Δε）液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的重要参数。
Maier等人将Onsager各向同性液体介电性质的公式推广应用于各向异性的液晶，导出如下公式：式中ε∥, ε⊥平行和垂直于分子轴方向上的介电常数；Δε----介电各向异性参数；A,B-----与材料无关的常数；μ---永久偶极矩；α-----极化度；T-----绝对温度，K；ß---永久偶极矩与分子长轴之间的夹角。
这个表达式对于预测材料的介电各向异性有一定作用，但是很难用来计算液晶的介电特性。
Δε> 0的液晶称为正性液晶；Δε<0的液晶为负性液晶，通常正性液晶Δε=10 ~30，负性Δε= -1~-2。
由上式可见，极化度对介电各向异性的影响是显著的。
在向列相液晶分子中，通常都含有容易极化变形的苯环，沿分子长轴方向的极化度大于垂直方向的极化度，ε∥>ε⊥，Δε>0。
当分子结构中，用环已烷取代苯环时，л电子体系减少，极化度变弱，从而使Δε变小。
如果端基不是烷基，而是烷氧基，也会使极化偶极矩相互抵消，使Δε变小。
（2）电阻率一般热致液晶具有非离子结构，所以它的电导率总是很低[σ<10-10(Ω. cm)-1]。
液晶的导电各向异性可以用来描述。
在向列相液晶中总是σ∥、／σ⊥﹥1。
这反映了在向列相液晶中，离子沿分轴方向的运动比垂直于分子轴方向的运动要容易得多。
而在近晶相液晶中，离子运动在分子层隙间比较容易。
所以，σ∥、／σ⊥﹤1。
因此，可以从液晶导电各向异性的变化分析液晶的相态。
在实际工作中，常用电阻率ρ代替电导率σ, ρ=1／σ.液晶电阻率的数量级一般为1 08-101 2Ω.cm。
在制备液晶时，电阻率常作为纯度的表征量。
液晶特性
液晶物性1. 液晶简介1888年,澳大利亚叫莱尼茨尔的科学家，合成了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点.把它的固态晶体加热到145℃时，便熔成液体，只不过是浑浊的，而一切纯净物质熔化时却是透明的。
如果继续加热到175℃时，它似乎再次熔化，变成清澈透明的液体。
后来，德国物理学家列曼把处于“中间地带”的浑浊液体叫做晶体。
它好比是既不象马，又不象驴的骡子,所以有人称它为有机界的骡子.液晶自被发现后,人们并不知道它有何用途，直到1968年,人们才把它作为电子工业上的的材料.分子量小的大部分物质的状态随着温度的上升呈现物质的三种状态——固体(solid)、液体(liquid)和气体(gas)。
但若是分子量大而且结构特殊的物质时，其状态的变化就不那么简单。
1888年Reinizer在给cholesteric benzonate结晶加热时发现，当加热到145.5度时会变成混浊的白色有粘性的液体，当加热到178.5度时会完全变成透明的液体。
Lehman发现结晶和透明液体之间的这种状态(phase)具有当时被认为是固体固有的光学各向异性，因此被命名为液晶(liquid crystal)。
即液晶(liquid crystal)是liquid和crystal 的合成词，表示具有液体所特有的流动性(fluidity)的同时还具有结晶所特有的光学各向异性(optical anisotropy)。
因是存在于固体与液体之间的状态，所以叫做中间相(mesophase)更准确，但更多的是按照惯例叫液晶。
随着研究的深入，在许多物质中发现了液晶相，而且发现具有液晶相的分子都带有类似长条状或圆盘状的分子结构(请参考图1)。
如图2所示，带有液晶相的分子在达到一定的低温时是按一定规则排列的结晶结构，但达到一定的熔点(melting point)以上时，其质量中心自由移动，但其条状的方向形成一定的分布状态成为各向异性的液体(anisotropic liquid)，而这时就是液晶相。
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度为正无穷。 2、观测液晶中的旋光现象和双折射现象。 （1）先调节检偏器使系统处于消光状态，再在起偏器和检偏器之间放入液晶盒。依 序先后转动检偏器和液晶盒，如此反复调整，使系统再次处于消光状态，记录两次出现 消光状态检偏器转过的角度。 实验时，调整检偏器，记录输出光强（光电池所显示功率）最小时，检偏器的角度 为 93.5°，然后将液晶盒放入，再次调整检偏器，记录输出光强最小时，检偏器的角度 211.5°，则液晶的扭曲角为：|211.5°-93.5°|=118°。 （2）保持刚才二次消光时检偏器的位置，在 0-360°每过 30°旋转一次液晶盒，记 录光强达到最大值和最小值时的数值及光强大小。 实验时，记录表格如下：
角度 光强 min 光强 max 180 210 240 270 300 330 0.002 0.149 0.099 0.002 0.148 0.104 2.83 2.66 2.7 2.8 2.68 2.7
线偏度 1415 17.85234899 27.27272727 1400 18.10810811 25.96153846
【关键词】
液晶物性，扭曲角，线偏度，响应时间，液晶衍射，光电响应曲线
一、引言：
1988 年，奥地利植物学家莱尼茨尔在测定有机化合物熔点时，发现胆甾醇苯酸酯晶体 加热到 145.5°C（熔点）会熔融成浑浊的液体，继续加热到 178.5°C（清亮点），混浊的 液体会突然变成各向同性的清亮的液体。在熔点到清亮点的温度范围内 CB 处于不同于各向 同性液体的中介相，莱尼茨尔将这一现象告诉了德国物理学家莱曼。经过系统研究，莱曼发 现许多有机化合物都可以出现中介相， 物质在中介相具有强烈的各向异性物理特征， 同时又 象普通液体那样具有流动性。 因此这种中介相被称为液晶相， 那些可以出现液晶相的物质被 称为液晶。 在实验中，我们将对液晶盒的扭曲角、电光响应曲线和响应时间进行测量，同时观察和 分析液晶的衍射现象，了解液晶在外电场作用下的变化规律。
图 6 液晶物性测量实验原理图
四、实验内容及记录：
1、调整并测量线偏振光。 （1）检查 OPT-1 功率计及激光电源与光电池和半导体激光器的联结，打开 OPT-1 电 源开关，调节光路，使激光经起偏器进入探测器电池。转动起偏器，使激光功率最强。 （2）在光电池前放入检偏器，测量实验所用线偏振光的线偏振度。 实验时，转动检偏器，观测得当光强最小时为 0，光强最大时为 3.22，所以线偏振
角度 光强 min 光强 max 0 30 60 90 120 150 0.002 0.144 0.106 0.002 0.142 0.115 2.72 2.6 2.66 2.93 2.79 2.73
线偏度 1360 18.05555556 25.09433962 1465 19.64788732 23.73913043
液晶物性
王舒涵 201311141005 指导教师：熊昌民 日期：2015 年 10 月 8 日
【摘要】
本实验利用液晶盒、激光器、偏振片等器具，主要对液晶的介电各向异性、光学各向 异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。实验中，测得了液晶盒的光扭曲角为 118°； 并得到了间隙频率增大， 液晶响应时间减小的结论； 还观察分析了液晶 “光栅” 并测得常数。
二、实验原理：
1、液晶相与液晶态： 可以出现液晶相的物质被称为液晶。 通常，只有那些具有较大的分子、分子形状是杆状（或碟形，分子的轴宽比在 4:1~8:1） 的物质，才更容易具有液晶态。不是所有物质都具有液晶态。由杆形分子形成的液晶，其 液晶相可根据分子排列的平移和取向有序性分为三类： 近晶相、 向列相和胆甾相。 如图 1， 向列相液晶分子保持平行排列状态， 但分子重心混乱无序； 胆甾相实际是向列相的特殊形 式，分子排列成层，层内分子取向有序，不同层分子取向稍有变化，沿层的法线方向排列 成螺旋结构；近晶相分子排列成层，层内分子平行排列，既有取向有序性也有分子重心平
图 4 TN 液晶电光响应曲线
电光响应曲线中，透过率最大值与最小值之比成为对比度，亦称反差，即
C Tmax Tmin
对比度越高，显示的画面就更加生动亮丽，反之则会显得平淡单调。因此，对比度的大 小直接影响到液晶显示器的显示质量。 由光电响应曲线，还可以定义以下在显示应用中常用的三个参量： 阈值电压 Vth ：将透过率为 90%时所对应的电压称为阈值电压 Vth ，即 Vth = V90 。 饱和电压 Vs :将透过率为 10%时所对应的电压称为饱和电压 Vs ，即 Vs = V10 。 阈值锐度 ：饱和电压与阈值电压之比称为阈值锐度，即 Vs Vth 。因为 Vs > Vth ， 所以 >1。 （3）液晶的响应时间 当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原来排列方式所需要的时间就是响应时 间。形象地说，响应时间作为一个性能参数，实际上就是液晶由全亮变为全暗、再由全 暗变成全亮的反应时间。 分别用上升沿时间和下降沿时间来衡量液晶对外界驱动信号的 响应速度。 上升沿时间 Ton ：透过率由最小值升到最大值的 90%时所需的时间。 下降沿时间 Toff ：透过率由最大值降到最大值的 10%时所需的时间。 在测量液晶响应时间时， 一般采用如图 5 所示的驱动信号。 当驱动信号处于高电平 时（开态），液晶处于暗态；当驱动信号处于低电平时（关态），液晶处于亮态。当驱 动信号处于高电平时， 叠加一个高频脉冲信号， 这样可以避免由于直流电驱动带来的液 晶寿命下降的问般的光栅方程
asin k
其中，a 是光栅常数； 是衍射角； k 0, 1, 2... 为衍射级次。
三、实验装置：
半导体激光器（650nm）、示波器、液晶盒、液晶驱动电源、激光器电源、激光功率 计、光电池、光电二极管、偏振片（2 个）、光学导轨、白屏等器材。 图 6 是实验原理图。 激光经过起偏器后成为线偏振光， 偏振光经过扭曲向列相液晶后 振动方向发生了变化， 检偏器用来鉴别液晶出射光的偏振态。 激光电源和激光功率计被集 成在一个盒子中。液晶驱动电源同时具有三个功能：为液晶提供峰值为 12V 的交流电压； 为光电二极管提供 12V 直流偏置电压；将光电二极管接收到的信号输出至示波器上。 在测试液晶响应时间时用光电二极管探头， 除此之外， 皆用光电池接收液晶的输出信 号，白屏用于观察液晶光栅的衍射情况。
图 5 液晶响应时间
（4）液晶衍射 当施加在液晶盒上的低频电压高于某一阈值时， 带电杂质的运动将引起液晶分子形
成环流， 这些环流小区域导致整个液晶盒中的液晶取向有规则形变， 形成折射率的周期 变化，使得通过样品的光聚焦在明暗交替的带上，这种明暗条纹最早由威廉观察到，所 以称为威廉畴。 威廉畴构成一个衍射光栅， 此时在远场观察液晶的出射光强时会看到衍 射图样。衍射强度可以用汉克尔-基尔霍夫-夫琅禾费积分计算。衍射环的数目与液晶材 料的双折率有关。 近似为
移性。本实验采用的液晶是向列相液晶。
图 1 液晶分子的三种不同排列方式
2、液晶的基本物理性质： （1）介电各向异性——电场对液晶分子的取向作用 （2）光学各向异性——双折射效应
n ne no n/ / n
，
其取值在 0.05~0.45 之间。
3、液晶的电光效应：液晶在外电场的作用下分子的排列状态发生变化，从而引起液晶 盒的光学性质也随之变化的一种电对光的调制现象。 因为液晶盒具有介电各向异性， 因此外 加电场能使液晶分子的排列发生变化，进行光调制。 （1）旋光性 通常使用的液晶材料被封装在两个镀有透明导电薄膜的玻璃基片之间， 玻璃的表面 经过特殊处理，液晶分子的排列将受到表面的影响，这种装置称为液晶盒，液晶盒表面 液晶分子的取向称为锚泊方向。 如果上下两个基片的取向成一定角度， 两个基片间液晶 分子取向将均匀扭曲。在扭曲向列液晶盒（twisted nematic-TN）中，从液晶盒的一个表 面到另一个表面，液晶分子的排列方向刚好旋转了 90°。常用的还有所谓高扭曲向列 液晶盒 （HTN） 和超扭曲向列液晶盒 （STN） ， 对应的旋转角分别为 110°~130°和 180° ~270°之间。 TN、HTN 和 STN 液晶盒都具有很强的旋光性。在液晶分子扭曲排列的螺距大大超 过光的波长的情况下，若光以平行于分子轴的偏振方向入射，则随着分子轴的扭曲，将 以平行分子轴的偏振方向出射， 若光以垂直于分子轴的偏振方向入射， 则随着分子轴的 扭曲，将以垂直分子轴的偏振方向出射。当以其他线偏振光的方向入射时，则根据双折 射效应的附加相位差，以椭圆、圆或直线等形式出射。 通常一束线偏振光通过旋光物质后， 其振动面的旋转角度与旋光物质的厚度 d 成正
用 Matlab 模拟图像得到：
可见液晶的线偏度存在周期性的变化，且周期约为 90°，这是由双折射引起的， 激光摄入液晶盒后分为了两束偏振方向互相垂直的 e 光和 o 光， 当 e 光或 o 光的振动方
向与检偏器方向相同时，光强为极大值，当 e 光和 o 光方向与检偏器方向成 45°时， 光强为极小值，所以相邻极大值与极大值、相邻极小值与极小值间相隔约 90°。由此 可验证液晶的光学各向异性。 3、测量光电响应曲线 将信号发生器和光电二极管探头同时连接到示波器上，在“常白”模式下分别用 x-t 和 x-y 两种方式观测，得到下图两个图像。
-
2 2 p 0 2 2 8 p2 1 - 2 0 p 0 0
其中， 是长轴方向和短轴方向的介电常数之差， 真空中的波长，
p 0 是液晶的螺距， 是光在
2 0 是液晶的平均介电常数。 在可见光范围内， 1 - 2 p 0 0 的变
化很小，因此可以认为液晶的旋光度正比 （2）电光效应
-2 于。
液晶在外电场作用下， 分子取向将发生改变， 光通过液晶盒时偏振状态也将发生变 化，如果液晶盒后检偏器的透光位置不变，系统透过的光强将发生变化，透过率与外加 电压的关系曲线称为电光响应曲线，电光响应曲线决定着液晶显示的特性。TN 液晶的 电光响应曲线如图 4。