Fließende Kristalle Vom Molekül zum Display Prof. Christian von Borczyskowski Professur Optische Spektroskopie und Molekülphysik

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1 Fließende Kristalle Vom Molekül zum Display Prof. Christian von Borczyskowski Professur Optische Spektroskopie und Molekülphysik

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5 Kohlenstoff

6 Kohlenstoff - Nanoröhren

7 Benzol

8 DNA

9 Kristallstruktur NaCl

10 Kristallines Silizium Schneiden aus Si-Einkristall (0.3 mm)

11 Polykristalines Silizium Erstarren von Siliziumschmelze

12 Photonische Kristalle

13 Flüssigkeiten

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15 Entdeckung der Flüssigen Kristalle : Die Pioniere Friedrich Reinitzer Prag Otto Lehmann Karlsruhe Daniel Vorländer Halle CH 3 CH 3 H O O H H 1 Cr 145 C (Schmelzpunkt) N* 179 C (Klärtemperatur) I (Cr Kristall; N* flüssigkristalline Phase; I isotrope Phase) 1888 Friedrich Reinitzer beobachtet zwei Schmelzpunkte beim Cholesterylbenzoat Otto Lehmann, den Reinitzer im Hilfe bittet, postuliert die Flüssigen Kristalle Daniel Vorländer untersucht systematisch stäbchenförmige Moleküle (z.b. Zimtsäurederivate)

16 Meilensteine in der Entwicklung von Flüssigkristallen und LCDs

17 Nnobelpreis1991 Pierre-Gilles de Gennes (Frankreich, *1932) Theoretische Beschreibung der Ordnungsprozesse von Flüssigkristallen, Polymeren, Magneten und Supraleitern Helfrich fand 1970 das theoretische Konzept für das erste technisch und kommerziell revolutionäre Flüssigkristall Display. Das Patent wurde vom Münchener Patentamt nicht erteilt, weil die Entdeckung und Entwicklung keine Erfindungshöhe hätte. Friedrich Reinitzer

18 Flüssigkristalline Anzeigen

19 Temperaturabhängigkeit fest flüssig kristallin flüssig

20 Molekulare Struktur Methyloxybenzylidenbutylanilin (MBBA) Schmelzpunkt: 22 C Klärpunkt: 47 C Pentylcyanobiphenyl (5CB) + - Schmelzpunkt: 23 C Klärpunkt: 35 C

21 Nematisch Temperatur Kräfte zwischen Molekülen

22 snapshot from a molecular dynamics simulation showing the liquid crystal molecule PCH5 in a nematic phase.

23 Nematische Flüssigkristalle Direktor

24 Nematische Moleküle

25 Smektische Moleküle

26 Smektische Flüssigkristalle

27 Kolumnare Flüssigkristalle Kolumnar

28 Cholesterische Flüssigkristalle

29 Ordnungszustände

30 Ordnungsparameter

31 Was sind Flüssigkristalle? Kühlen isotrope Flüssigkeit Flüssigkristalle Kristall Kühlen Direktor Kühlen Kühlen 1 2 Zwischenphasen (Mesophasen), zwischen Flüssigkeit und Kristall, kombinieren Ordnung und Mobilität: 1 nematische Phase 2 lamellare Phase Wachsende Ordnung Flüssigkristalline Moleküle Mesogene: Typischer Aufbau eines stäbchenförmigen (calamitischen) Mesogens Formanisotroper Baustein Flexible aliphatische Ketten Die flexiblen Ketten dienen als Schmierstoff, der es ermöglicht höher geordnete Strukturen der Flüssigkristallphase (z.b. Lamellen in 2 ) gegeneinander zu verschieben.

32 Optische Eigenschaften

33 Moleküle sind Antennen!

34 Optische Polarisation

35 Otto Lehmann s Polarisationsmikroskop mit Heiztisch Funktionsweise des Polarisationsmikroskops Pol 1 Pol 2 isotropes Material gekreuzte Polarisatoren 90 anisotropes Material Ein Polarisator (Pol 1) erzeugt linear polarisiertes Licht. Die Polarisationsebene wird vom isotropen Medium nicht verändert, weshalb das Licht den um 90 gedrehten Pol 2 (Analysator) nicht passieren kann. Ein anisotropes Medium dreht die Polarisationsebene des durch Pol 1 linearen polarisierten Lichts (Doppelbrechung), weshalb es teilweise Pol 2 durchläuft. Je nach Phasenstruktur sind daher unterschiedliche Texturen sichtbar. Flüssigkristall- Texturen Nematische Schlierentextur eines Tropfens bei 178 C zwischen gekreuzten Polarisatoren. M. Lehmann et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004, 411, 273. Textur einer kolumnaren Mesophase bei 47 C zwischen gekreuzten Polarisatoren. M. Lehmann et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004, 411, 397.

36 Schlieren-Texturen

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39 Defekte S= ½ Defekt Punkt Defekt

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41 Übergang von isotroper in eine nematische Phase (Schlierentextur). Homeotrope Orientierung und anschliessende Bildung einer biaxialen LC Phase. Lehmann, TU Chemnitz

42 a) Pseudo-fokalkonische Textur Polarisator- Stellung b) Pseudo-isotrope Ordnung : Pseudo-fokalkonische Textur. H 25 C 12 O OC 12 H 25 OC 12 H 25 OC 12 H 25 c) Planare Orientierung H 25 C 12 O OC 12 H 25 CHO OCH3 a) Kolumnare Ordnung bei (X). b) Homeotrope Ordnung der Kolumnen bei (O). c) Planare Ordnung von Kolumnen. Lehmann, TU Chemnitz

43 Strukturen an Grenzflächen Bekannt: Flüssigkristalle in dünnen Filmen zeigen Strukturbildung: Oberflächenabsenkungen [Designolle et al., Langmuir 22, , 2006] Koexistenz verschiedener Schichtdicken [R. Garcia et al., Phys. Rev. Lett. 100, , 2008] Dynamik in solchen Strukturen weitgehend unbekannt Untersuchung der molekularen Dynamik mit Hilfe von Fluoreszenz- Einzelmolekülexperimenten Benjamin Schulz

44 Analyse der Diffusion Schwerpunkterkennung Bildausschnitt: (16x16) µm 2 Tracking (Zeichnen der Molekültrajektorien) Berechnung des Diffusionskoeffizienten D aus der mittleren quadratischen 2 Verschiebung r : 2 r = 4Dt

45 Optische Displays Kathodenstrahlröhre Plasma- Displays Flüssigkristall- Displays LED - Displays

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47 Elektronenstrahlröhre bis Volt

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49 Plasma Display

50 Leuchtstoffe in Plasma Displays BaMgAl10O17:Eu2+ (blau), Zn2SiO4:Mn2+ (grün) und (Y,Gd)BO3:Eu3+ (rot) Y(V,P)O4:Eu3+; Y2O2S:Eu3+ (rot)

51 LCD: Permanentes elektrisches Dipolmoment

52 Mechanische Orientierung an Oberflächen

53 Twisted Nematic Cell U=Ein drehend durchlässig

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55 Twisted Nematic Cell (TN)

56 Aufbau und Funktionsweise einer Twisted Nematic (TN) Zelle Links (roter Farbfilter): Flüssigkristallmoleküle orientieren ohne elektrisches Feld, aufgrund der Orientierungsschichten, spiralartig zwischen den gekreuzten Polarisatoren. Sie wirken als Lichtleiter und drehen die Polarisation des zunächst vom ersten Polarisator linear polarisierten Lichtes derart, dass es den zweiten, um 90 gedrehten Polarisator passieren kann. Rechts (blauer Farbfilter): Flüssigkristalle ordnen sich im elektrischen Feld so, dass das linear polarisiertes Licht seine Polarisation unverändert beibehält. Der zweite gekreuzte Polarisator (unten) blockt daher das ankommende Licht.

57 Flüssigkristall Display 15 Zoll Flachbildschirm: = Pixel x 3 Farben = Einzelpixel = 0,03 qmm ( 10% Transistor) ; < 5 ms; 5 Mikrometer;

58 Licht emittierende Dioden

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60 OLED Screen

61 p-oled Ink Jet Printed/a-Si

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