CN116981992A - 包括铁电向列型液晶形成分子的器件及其形成和使用的方法 - Google Patents

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N·A·克拉克
陈曦
J·E·麦克伦南
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Abstract

铁电向列的表面极性可以被配置成用于生成对其主体极化场的定向的向量控制。具有平面内极性的表面与铁电向列型液晶之间的接触在该界面处生成铁电极化场的优选平面内定向，这可能会导致在不具有电场极化的情况下形成高极化的流体或玻璃状单畴。材料表面可以用作制造具有各种方位角指向矢/极化结构的平面对准单元的途径，包括在π‑扭曲单元中的扭曲状态，该单元通过在相对表面上进行反平行、单向擦光而获得，我们展示了铁电向列型电光响应的三种不同模式：固有粘度限制的场诱导的分子重定向、分离相对手性的扭曲状态的畴壁的场诱导的运动、以及场反转时极化重定向孤子从单元板到单元中心的传播。

Description

包括铁电向列型液晶形成分子的器件及其形成和使用的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年12月30日提交的临时申请序列第63/132,194号、标题为“DEVICE INCLUDING FERROELECTRIC NEMATIC LIQUID CRYSTAL-FORMING MOLECULES ANDMETHODS OF FORMING AND USING SAME(包括铁电向列型液晶形成分子的器件及其形成和使用的方法)”的权益，由此其内容通过引用并入本文中。
联邦资助的研究
本发明是在由美国国家科学基金会(National Science Foundation)授予的DMR1420736、DMR2005170和DMR1710711号政府支持下完成的。政府具有本发明中的特定权利。
背景技术
由于向列型液晶(LC)对施加的场和对表面力的简单集体响应，所以它们是有用的。在液晶中，主体响应是分子定向的流体弹性场的长程变形，在该流体弹性场上，限制表面建立了几何和拓扑结构约束。在电光学领域，LC现象学的这两个基本元素已被组合以创建LC显示技术，由此实现了20世纪的便携式计算革命。在该发展中，并且直到最近，向列型电光学一直基于主体介电对准，其中到被施加的电场的四极耦合在非极性LC中诱导极化，以生成扭矩和分子重定向。被采用以实现期望器件结构的表面相互作用类似地是四极的，具有由Rapini-Popoular(RP)模型及其变体所描述的诸如擦光或光配向之类的常见处理。
向列型液晶是具有内部长程定向排序的流体。在统计机械学术语中，由于各向同性到向列型的相变破坏了定向对称性，它在向列中产生了戈德斯通模式，从而描述了指向矢n(r)的空间变化，即局部平均分子定向。由于各向同性相的全定向对称性，向列型指向矢不具有全局优选的定向，并且因此波向量q的定向变化的谐波(弹性)能量成本在长波长处降低到零，如Kq2，其中K是定向(弗兰克)弹性常量。三维中的主体向列型样本可以通过提供任意小的力(例如，任意小的被施加的电场或磁场，其经由四极各向异性耦合到向列型定向，分别是介电的或反磁性的)来定向。向列顺序类似地对边界条件无限响应，即对其上存在定向各向异性的表面无限响应。由于向列是流体，所以这些条件使得以下各项成为可能：将向列放置在所选择的容器中、使其自发退火到所选择的填充空间的三维(3D)指向矢定向结构中、以及使该结构以可预测的方式响应于所施加的场。在实践中，表面和场必须足够强以消除缺陷，并且以足够快的速度产生重定向，从而变得有用。
最近，一种新型向列型液晶相被示出为铁电向列(NF)，这为以令人兴奋和强大的新方式采用LC场和表面现象提供了各种机会。NF LC是具有宏观电极化P(r)的3D液体。在纳米尺度上，每个分子偶极被约束为几乎平行于其分子空间长轴线，这在宏观上转换成强定向耦合，从而使P(r)局部平行于±n(r)，即相的局部平均分子长轴线定向和单轴光轴线。由此，极化使NF具有n(r)与施加的电场E之间的耦合，该耦合是线性的，并且在低E处对介电耦合占主导地位。NF相表现出几乎完全的自稳定自发极性排序，具有极性顺序参数其中βi是典型分子偶极与局部平均极化密度P之间的角度。由此产生的大自发极化，P～6μC/cm2，能够实现场诱导向列型指向矢重定向和相关联的电光学(EO)响应，在典型单元中施加的场小至～1V/cm，是可比较地重定向介电向列的那些场的大小的千分之一。
本节中所阐述的包括对问题和解决方案的讨论的任何讨论已被包括在本公开中，其仅仅出于为了本公开提供上下文的目的，并且不应被视为承认讨论中的任何或所有讨论在做出本发明时已知或以其他方式构成现有技术。
发明内容
提供本发明内容以引入一系列概念。本发明内容并非旨在必要地标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用于限制要求保护的主题的范围。
本公开的各种实施例涉及器件以及使用和形成器件的方法。
根据本公开的示例性实施例，一种器件包括：体积，该体积包括铁电向列型液晶形成分子，所述体积包含铁电向列型液晶相，所述铁电向列型液晶相包括具有贯穿体积的电极化密度的向量定向场；以及一种或多种材料，该一种或多种材料包括与体积接触的一个或多个表面。该一个或多个表面可以被配置成用于赋予分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性在与该一个或多个表面的界面处控制所述向量定向。
根据本公开的进一步示例，提供了一种用于在与一种或多种材料的界面表面处控制铁电液晶的极化场的三维中的有利的向量定向的方法。该方法可以包括：提供体积，该体积包括铁电液晶形成分子；提供第一材料，该第一材料具有与该体积接触的第一表面；以及使用第一表面、赋予分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性控制所述体积中的分子的所述有利的向量定向。
根据本公开的又附加的示例性实施例，提供了一种形成铁电向列型液晶器件的方法。该方法包括以下各项的步骤：提供体积，该体积包括处于向列型状态的铁电液晶形成分子；提供第一材料，该第一材料包括与该体积接触的第一表面；以及赋予分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性在与第一表面的界面处控制向量定向。
根据本公开的进一步附加的示例，一种器件包括：体积，该体积包括铁电液晶形成分子；以及第一材料，该第一材料包括与该体积接触的第一表面，其中，该第一表面被配置成用于赋予分子的有利的表面极性，以在与该第一表面的界面处控制体积内的分子的向量定向。
在包括从属权利要求的权利要求中阐述了附加示例。除非另有说明，从属权利要求可以与独立权利要求或其他从属权利要求以任何组合进行组合。
通过参考附图对以下某些实施例的详细描述，这些和其他实施例对于本领域技术人员将变得显而易见；本公开不限于所公开的(一个或多个)任何特定实施例。
附图说明
当结合以下说明性附图考虑时，可以通过参考具体实施方式和权利要求书来导出对本公开的示例性实施例的更完整的理解。
图1图示出使用去极化光透射显微镜(DTLM)成像的、在不同平面对准条件下的RM734的NF相的单元结构。(A，C)具有双向表面擦光的单元给出平面对准并且没有预倾角(指向矢平行于表面)。该表面是非极性的，从而允许形成相反铁电极化的畴(d＝11μm，T＝120℃)。(B，D，E)具有单向表面擦光的反极性(ANTIPOLAR)单元，其给出了具有几度的预倾角的平面对准(d＝4.6μm)。预倾角将NF极化与固有的表面法向极性(一侧上是聚合物，另一侧上是LC)耦合，从而给出了主体NF的平面内极性锚定。因此，通过板之间的温差进行N-NF转变的冷却从较冷板生长出极性定向的单畴。(E)随着两个板上的反平行擦光，当单元被冷却到NF相时，较暖板附近的定向经历了到它的较低能量极性状态的表面重定向转变，从而在n-P场中创建π扭曲。这种扭曲可以是左旋的(LH)也可以是右旋的(RH)，其中2π扭曲壁将这两种状态分离。在交叉偏振器与分析器之间，LH和RH状态是光学退化的。(F)U状态、LH和RHπT状态的示意图。在T中缺少梯度的情况下，均匀指向矢状态从每个表面生长，从而在单元中心附近形成PPR壁。比例尺：(A)20μm，(B)200μm。
图2图示出反极性单元的定向状态。由使用反平行单向擦光而生成的表面极性锚定诱导、以及使用DTLM在T＝125℃下成像的NF相中的稳定的π扭曲(πT)状态。红色到蓝色箭头彩虹表示在单元中的x级别增加的序列处的铁电极化定向(x＝0、d/4、d/2、3d/4、d，其中d＝3.5μm)。粉红色箭头指示从单元的底部到顶部的的方位角轨迹，这也是光传播方向。(A，B)左旋(LH)πT状态(橙色)生长为均匀(U)状态。当n平行于或垂直于分析器时，交叉偏振器与分析器之间的U状态是暗的，但当旋转(B)时示出其双折射。πT状态的颜色在很大程度上不取决于单元定向。(C)U状态、LH和RHπT状态的示意图。在T中缺少梯度的情况下，均匀指向矢状态从每个表面生长，从而在单元中心附近形成PPR壁。针对黄色向量指示的PPR壁处的扭曲变形最初消耗局部扭曲弗兰克能量，但最终将降低能量，从而实现拓扑转变，该拓扑转变将PPR壁转换成单元板之间的均匀指向矢扭曲。(D，E)使分析器不交叉提高了LH和RH状态的光学退化，从而揭示了它们在同时镜像反射(LH到RH)和去骨化角(decrossingangle)反转下的手性和光学对称性。(E)LH和RH状态被2π扭曲壁分离。比例尺：200μm。
图3图示出在反极性单元中的低场极化反转。(A-H)在T＝110℃时，RM734的d＝3.5μm厚的单元中的右旋(RH)πT状态。该单元具有间隙为1mm的ITO电极，从而产生垂直于电极边缘的电场E。在间隙中心处，E＝(0.66v)V/mm，其中v是施加到电极间隙的电压。擦光方向沿z轴线，其定向与平行于电极边缘的方向相距3°，并且因此与E相距93°。这3°的偏移破坏了关于E的镜像对称性，导致n-P耦合响应于PxE扭矩而优选逆时针旋转(B，白色箭头)。在0V＜v＜0.3V的范围中增加施加的电压给出了从(A)到(H)的图像的发展。红色到蓝色箭头彩虹表示在单元中的x级别增加的序列下的铁电极化定向(x＝0、d/4、d/2、3d/4、d)。粉红色箭头指示从单元的底部到顶部的方位角轨迹，这也是光传播方向。(I-K)从文中给出的场/弹性扭矩平衡等式的静态模拟中计算的LH和RH状态的指向矢轮廓的曲线图。轮廓在和都具有固定的表面定向。请注意，LH轮廓是用向下增加的绘制的。RHπT状态如图1、图2中所指示，并且被绘制在(J)和(K)中。由于RH状态中的P具有指向与E相反的分量，因此它因场从圆的右侧向左侧绕逆时针推动P而强烈变形。(B，C)在V～40mV(间隙中心中的E～26mV/mm)时，LHπT状态经由非均匀成核出现在若干个地方，由于它具有很大程度上沿E指向的P，因此是场优选状态。(E，I)场倾向于将LH扭曲排出到表面，从而以优选定向填充单元中心。(D)LH和RHπT状态被2π扭曲壁分离。(E-H)在这个范围内，LH和RH状态在内部结构上改变很小，因为畴壁仅随着场的小的增加而移动。(I-K)插图示出了交叉偏振器与分析器之间的白光透射的色调。
图4图示出RM734在T＝110℃时的NF电光和动力学。(A)场诱导极化反转(ERV)和粘度限制(ERT)重定向数据和建模总结。ERV制度：黑点是场反转数据；彩色填充的圆圈来自(C)；白色圆圈和白色实线来自(B)。ERT制度：青色填充的正方形来自(E)；白色圆圈和白色虚线来自(D)。ERV时间更长，因为场反转会生成一定程度的孤子响应，如(B)所示，其中单元的部分等待孤子通过以便重定向。(B)扭矩平衡等式的ERV解示出了对方波电场反转的响应，在此之前，P处于RHπT状态；并且在此之后，P处于低扭矩、不稳定平衡状态，直到在表面处开始的孤子通过。最终状态(红线)在单元中心处具有2π扭曲壁，其通过顺序重建(青色箭头)消失，从而留下LHπT状态(虚线)。孤子到达单元中心处会产生指向矢重定向(白色圆圈)，从而在(C)中给出光透射峰值(白色圆圈)。(C)场反转后的交叉偏振器与分析器之间的光透射峰值。孤子到达单元中心处的时间如(A)所绘制，颜色编码如(C)所示。与-到+转变相同的峰值集出现在-到+上，从而示出了每个转变都完全切换了πT状态的旋向性。(D)对E场的均匀扭曲的RHπT状态的模拟ERT响应有利于其在处的中间单元定向。最终的E诱导状态(黑色)示出在该场处，到单元中的表面定向的场穿透长度ξE＝√K/PE较小。在这种情况中，指向矢轮廓的每个元素dx＝ξE对场独立响应为(见正文)，并且可用于分析(E)中的均匀的数据。(E)具有随机平面对准的四个金电极单元(NSEW)，以及脉冲电压被施加到W，其中NS和E接地。小的DC偏置设置起始定向到约45°，并且测量交叉P与A之间的透射I(t)。10％到90％的响应时间相对于场振幅被示出为(A)中的青色正方形。在较小的施加的场中，响应时间减少为1/E，并且用于确定γ。在大E时距1/E依赖性的偏离是由于在短时间处出现的电极处的去极化电压的影响。
图5图示出根据本公开的示例的器件。
将要领会的是，附图中的要素出于简化和清楚而图示出，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的要素中的一些要素的尺寸可相对于其它要素被扩大以帮助对本公开的所图示的实施例的理解。
具体实施方式
虽然下文公开了某些实施例和示例，但将由本领域技术人员理解的是，本公开延伸超出了具体公开的实施例和/或本公开的用途以及其明显的修改和等价物。由此，本公开的范围不应旨在受本文中描述的特定实施例限制。本文中呈现的图示并不意指任何特定材料、装置、结构或器件的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施例的表示。
本公开的示例性实施例提供了改进的器件。示例性器件包括：体积，该体积包括铁电向列型液晶形成分子；以及一种或多种材料，该一种或多种材料包括与该体积接触的一个或多个表面。
根据本公开的示例，该体积包含铁电向列型液晶相，所述铁电向列型液晶相包括具有贯穿该体积的电极化密度的向量定向场，其中，所述一个或多个表面被配置成用于赋予分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性在与一个或多个表面的界面处控制所述向量定向。一种或多种材料可包括第一材料和第二材料，该第一材料包括与体积接触的第一表面，并且该第二材料包括与体积接触的第二表面。第二表面可被配置成用于赋予分子的有利的表面极性，以在与第二表面的界面处控制体积内的分子的向量定向。分子的有利的表面极性可包括局部垂直于且指向远离一个或多个表面中的至少一个表面的分量。分子的有利的表面极性可包括局部垂直于且指向朝向一个或多个表面中的至少一个表面的分量。分子的有利的表面极性可包括与一个或多个表面中的至少一个表面局部相切的分量，所述分量可包括围绕与一个或多个表面中的至少一个表面垂直的表面的唯一有利的方位角定向。根据本公开的示例，分子的有利的表面极性包括由对一个或多个表面中的表面的单向擦光而创建的分量。根据附加示例，分子的有利的表面极性使用由电磁波(例如，具有在约0.1μm至约10μm范围中的波长)对一个或多个表面中的表面的倾斜照明而创建。根据附加示例，分子的表面极性可包括经由由对一个或多个表面中的表面的照明引起的光聚合而创建的分量。根据进一步的示例，分子的有利的表面极性包括经由由对一个或多个表面中的表面的照明引起的光聚合而创建的分量，其中所述照明是倾斜的。在一些情况中，分子的有利的表面极性包括经由由对一个或多个表面中的表面的照明引起的光降解而创建的分量。根据本公开的示例，分子的有利的表面极性包括经由由对一个或多个表面中的表面的照明引起的光聚合而创建的分量。根据进一步的示例，分子的有利的表面极性包括由将材料沉积到一个或多个表面中的表面上而创建的分量。沉积可以是倾斜的。根据进一步的示例，分子的有利的表面极性包括通过从一种或多种材料中蚀刻材料而创建的分量。蚀刻可以是倾斜的。根据本公开的进一步的示例，该器件包括用于将电场施加到体积的一个或多个电连接和/或用于将电磁场电场施加到体积的装置。
根据本公开的进一步的示例，提供了一种用于在与一种或多种材料的界面表面处控制铁电液晶的极化场的三维中的有利的向量定向的方法。一种示例性方法，包括：提供体积，该体积包括铁电液晶形成分子；提供第一材料，该第一材料具有与该体积接触的第一表面；以及使用第一表面、赋予分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性控制所述体积中的分子的所述有利的向量定向。该方法可以进一步包括：提供第二材料，该第二材料具有与体积接触的第二表面。分子的有利的表面极性可包括局部垂直于表面且指向朝向表面的分量。在一些情况中，分子的有利的表面极性包括局部垂直于表面且指向远离表面的分量。分子的有利的表面极性可包括与第一表面局部相切的分量。所述分量可包括围绕表面法线的唯一有利的方位角定向。在一些情况中，分子的有利的表面极性包括由对第一表面的单向擦光而创建的分量。分子的有利的表面极性可包括使用由电磁波(例如，具有在约0.10μm至约10μm范围中的波长)对第一表面的倾斜照明而创建的分量。在一些情况中，分子的有利的表面极性包括经由由对第一表面的倾斜照明引起的光聚合而创建的分量。在一些情况中，分子的有利的表面极性包括经由由对第一表面的倾斜照明引起的光降解而创建的分量。分子的有利的表面极性可包括由将材料倾斜沉积到第一表面上和/或从第一表面倾斜蚀刻材料而创建的分量。根据本公开的各种示例，第一表面与体积的接触是在第一温度相下进行的，并且体积在第二温度下被冷却成铁电向列相。体积可以包括处于第一温度的向列相。在一些情况中，体积包括处于第一温度的各向同性材料。体积可以包括铁电向列相。根据本公开的进一步的示例，采用界面控制来建立具有铁电向列型液晶的体积中的自发极化场的三维中的极性向量定向。
根据本公开的进一步的示例，提供了形成铁电向列型液晶器件的方法。该方法包括：提供体积，该体积包括处于向列型状态的铁电液晶形成分子；提供第一材料，该第一材料包括与该体积接触的第一表面；以及赋予分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性在与第一表面的界面处控制向量定向。建立具有铁电向列型液晶的体积中的自发极化场的三维中的极性向量定向的界面控制可以通过将具有液晶的体积从较高温度相冷却到铁电向列型液晶相来实现，其中，较高温度相是非铁电向列相，并且其中所述冷却被配置成用于在冷却到铁电向列相期间维持液晶内的温度梯度。冷却可被配置成用于在冷却到铁电向列相期间维持液晶内的温度梯度，所述梯度使所述铁电向列相能首先形成在所选择的表面上。方法可以附加地包括将电场施加到所述铁电向列相的步骤。附加地或替代地，方法可以包括提供溶解在铁电向列相中的掺杂剂分子。掺杂剂分子具有偶极矩，所述偶极矩优选地通过邻近或在它们附近的FNLC的向量定向场对准。根据进一步的示例，所述铁电向列相是两个或更多个不同分子种类的混合物。在一些情况中，铁电向列相是共晶混合物。根据上述示例中的任一个示例，当温度降低时，所述FNLC的体积向量定向形成定向玻璃(例如，产生高粘度，超过各向同性相中的材料的粘度的108)。
根据本公开的又一些附加示例，提供了另一种器件。该器件包括：体积，该体积包括铁电液晶形成分子；以及第一材料，该第一材料包括与该体积接触的第一表面，其中，该第一表面被配置成用于赋予分子的有利的表面极性，以在与该第一表面的界面处控制体积内的分子的向量定向。体积包括铁电向列相。该器件可以包括上文提到的与其他器件和/或用于形成该器件的方法相关的特征中的任何特征。
我们示出了本文中描述的器件中的NF的极性排序导致向列与边界表面相互作用的变革性改变，这是向列型LC科学及其用于技术的潜力的关键方面。我们展示了极性分子的3D体积的向量定向分布的结构化可以通过控制其2D边界表面的极性来实现。在最简单的示例中，如果优选极化的定向在表面中的多数表面上是向量单向的，则NF体积极化可以类似地被定向，即由表面极化为向量均匀定向，而无需所施加的场。
诸如铁磁体和铁电体之类的具有自发向量顺序的材料的样本通过分别划分为它们的磁化的不同定向的畴M(r)或极化的不同定向的畴P(r)以及使这些场局部平行于它们的表面、以使它们产生的内部和外部磁场或电场的能量最小化的方式来使它们的内能最小化。通过施加外部场(场极化)有意破坏该图像(例如，将铁杆放置于磁场中以产生条形磁体)是它们的使用中的重要过程，或用作非易失性固态存储器中的位存储的铁电纳米晶体的极化的外部反转。用于生成极化单畴以用于非线性光学和电子电光应用的诸如包含聚合物的发色团的电晕极化之类的软材料的场极化由于要求高场而不太成功。相反，我们发现，在没有极化场的情况下，铁电向列的表面极化可以实现它们近完美极性顺序的单畴排序。
在铁电向列中，与主体极化密度P(r)的出现相关联的对称性的降低通过主体能量密度uPE＝-P·E，产生了P与施加的场E的宏观耦合。在其中净分子偶极几乎平行于分子的空间长轴线的分子中，P(r)通过定向能量偏好uPn＝-uPn|(n·P)/P|宏观耦合为平行于±n(r)。能量密度系数uPn可以被估计为uPn～kBT/vol，其中vol是分子体积。如果我们在x＝0处对P(r)的定向施加阶跃改变，则n(r)将在距离|x|＝ξ～√(K/uPn)内跟随，其也将具有分子尺寸。因此，在宏观尺度上，P(r)和±n(r)在定向上基本上是锁定在一起的，因此如果场被施加，则响应通常是通过重定向P(r)来重定向n(r)。它的例外是极化反转壁的移动，该极化反转壁在均匀的n场中将P翻转180°。
本文中提供的示例性实施例的描述仅仅是示例性的并且仅旨在出于说明的目的；以下描述并非旨在限制本公开或权利要求的范围。此外，具有所陈述的特征的多个实施例的详述并不旨在排除具有附加特征的其他实施例或包含所陈述的特征的不同组合的其他实施例。
在本公开中，变量的任意两个数字可以构成该变量的可行范围，并且所指示的任何范围可以包括或排除端点。附加地，所指示的变量的任何值(无论它们是否用“约”指示)可以指代精确值或近似值并且包括等价物，并且可以指代平均值、中值、代表性、多数等。此外，在本公开中，在一些实施例中，术语“包括”、“由......构成”和“具有”可以独立地指代“典型地或广泛地包括”、“包括有”、“基本上由......组成”或“由......组成”。在本公开中，任何限定的含义不一定排除普通和惯用的含义。
表面可包括任何合适的表面，这些表面包括本文中描述的那些表面。表面可包括界面表面。
示例
下文描述的示例图示出各种器件以及形成和使用该器件的方法。示例是说明性的，并且并不意指限制本发明的范围。
极性表面锚定——P(r)与边界表面的交叉在表面上沉积极化电荷/区域，从而产生电场诱导的、与外部离子和电子电荷以及与NF指向矢的长程相互作用。然而，由于边界表面本身总是固有的具有极性，由表征的局部表面相互作用，LC表面相互作用的能量/面积相对于(指向矢n(r)在表面处围绕其法线的定向)，除了非极性RP项之外，还必须包括极性贡献。定义在表面流形rs上的向量场S(rs)，以及垂直于局部平面界面的任何地方，都可以表示与表面相关联的不可避免的极性元素。通常，S(rs)将给出结构梯度中(例如，界面电极化密度中、LC或边界相的某些分子分量的密度中、或界面材料的分子分量的极化密度中)的最大值的位置和值。
NF相中的极化的出现将项WP(rs)∝P(rs)·S(rs)添加到W，这将有利于P沿表面法线方向的分量的优选符号，该分量取x。附加地，如果表面结构具有平面内各向异性，例如，由于磨料双向擦光，表面处的向列型指向矢定向将受到RP型相互作用的影响，这本身将给出n(r)的优选平面内(y,z)对准，由表面能密度稳定，其中给出了n与擦光方向之间的平面内方位角定向z。必须是各向异性但非极性的，以及因此关于擦光及其平面内法线的反射对称性是在RP之后，我们使为四极，其中其中wQ是现象学系数。对于(x,z)平面中的双向擦光或法向入射光配向，优选的指向矢定向也具有平行于表面的n(平面情况，由图1A中的白色双头箭头描述)。固有的表面极性(图1A中的灰色箭头)垂直于该优选定向，并且由此不会诱导沿n的平面内极性对称性破坏。
另一方面，如果平面内各向异性是通过沿z的单向擦光或通过(x,z)平面中的倾斜光配向或一些其他倾斜处理产生的，则通过该处理优选的n的表面定向将不平行于表面，而是与表面平面成某个角度0<ψ<π/2(预倾角的情况)。在此类预倾角的几何形状中，WP是非零的，因为在平衡中将会存在P沿S的分量，从而将表面法线的固有极性(图1B中的灰色箭头)既耦合到P的平面内分量又耦合到P的法线分量。也就是说，尽管预倾角的四极相互作用将为n和-n提供等效的表面能，但由于预倾角，P和-P的表面能将不同。在图1B中使用灰/白箭头来表示表面相互作用中的这种极性特征。如果是n的平面内分量c与摩擦方向z之间的平面内方位角，则必须是关于摩擦方向的反射对称并且可以被取为具有形式其中wP是现象学系数。LC表面能密度wQ的四极各向异性已经得到了广泛的实验研究。相反，wP是由对称性要求的，但其幅度和符号都是未知的。在这里，我们展示并使用了NF相的平面内极性表面对准，以获得锚定能量的极性分量的估计，并示出了此类相互作用能够对平面对准的单元中的向列型指向矢的几何形状进行全极性控制。我们创建了向列型指向矢的扭曲状态，并且施加平面内电场来产生电压控制的光学活性，从而使用小得多的场以及实现更快的响应。
RM734(R.J.Mandle，S.J.Cowling，J.W.Goodby，由杆状液晶表现出的向列型到向列型变换，物理化学，化学物理.19,11429-11435(2017).DOI:10.1039/c7cp00456g){各向同性(I)→182℃→向列(N)→133℃→铁电向列(NF)}被填充到具有分隔板的厚度为d的间隙的玻璃单元中，其中一个板用由L间隔开的ITO或金电极图案化，以用于平面内电场的施加。用入射白光使用去极化透射光显微成像(DTLM)并且用632nm HeNe激光(聚焦为直径为30μm的光斑)使用单波长透射测量对单元进行光学研究。在N相中给出纹影织构的随机平面玻璃表面和在从各向同性相冷却时给出N相平面单畴的涂覆有擦光聚合物对准层的板两者都被使用。
聚合物对准的单元包括d＝11μm的单元和关于体积106的弱双向擦光对准层102、104，从而提供了平行于擦光方向和表面的n的优选对准。通过这种对准，指向矢(图1A中的黄色)垂直于固有表面极性而对准，这样则不会破坏沿n(图1A中的白线)的极性对称性。这些是非极性平面内表面，这些表面构成非极性单元。
我们还使用了d＝3.5μm和4.6μm厚的单元，其具有擦光的聚酰亚胺对准层108、110和体积112，从而在平行于擦光方向的表面处并与表面平面倾斜小的预倾角(ψ～3°)提供了n的优选对准(图1B)。在这种情况下，根据上文的讨论，固有表面极性(图1B中的灰色箭头)现在具有沿着优选指向矢定向的分量。这破坏了沿n的极性对称性(图1B中的灰色/白色箭头)，使得表面将在表面处表现出P的优先平面内定向，我们将其简单地称为极性(POLAR)。如果在单元的两个平坦表面上进行单向且平行的擦光，则这些表面将被称为同极性(SYNPOLAR)；并且如果单向擦光是反平行的，则它们将被称之为反极性(ANTIPOLAR)。
在以-1℃/分钟的速度通过N–NF转变来冷却具有空间均匀温度的非极性(NONPOLAR)对准的单元后，它被图案化为具有局部平行于n(r)延伸的不规则畴的织构，它首先出现在亚微米尺度上，但随后在大约2℃的间隔内退火成线的图案，具有低的光学对比度和长达毫米的长度，它们大体上也沿n(r)定向。这些线在某些地方粗化或演变为形成范围为10–200微米的闭环，这些闭环具有不同且独特的透镜形状，这些透镜形状沿n(r)是细长的，如图1A、图1C所示。这些线形成了具有相反符号的P的铁电畴P之间的纯极化反转(PPR)的边界，这些铁电畴占据了单元的大致相等的面积，即，对特定符号的P几乎未示出偏好。小探针场的施加实现P的不同定向的可视化，这为RM734中的铁电向列相提供了主要证据。由此，非极性对准产生了n的高质量均匀对准，这在交叉偏振器与分析器之间给出了良好的消光，并且由相反符号的P的百微米到毫米级畴填充。
在具有通过N–NF转变以-1℃/分钟冷却的空间均匀温度的同极性对准的单元中，均匀的N相向列型单畴生长为NF相的极性单畴。这种织构是由于在T～90℃时出现晶相而造成的，但从T＝120℃到室温的淬火会产生玻璃状、均匀的双折射单畴。
我们还在Aryasova和Reznick的温度梯度方法的辅助下探讨了单元中的单个表面的平面内极性排序和对准效果。他们研究了玻璃板之间具有LC的向列型LC结构和相行为，同时跨单元厚度维持恒定的温差ΔT。在这些条件下，在通过各向同性(I)到向列型(N)相变的冷却后，他们发现获得的主要向列型对准是较冷单元表面的对准。由此，随着温度梯度的施加，I/N界面首先出现在较冷的表面处，并作为准平面片从该表面移动到另一表面。在具有涂覆有摩擦聚合物膜的一个板、并且具有给出随机平面对准的未经处理的聚合物膜的另一个板的单元中，发现这种形式的冷却在从经摩擦的表面生长出向列时产生均匀的平面对准的单元，或者在同一单元中，在从另一个随机平面对准的表面生长向列时产生有缺陷的纹影织构。
RM734通过反极性单元中的N-NF转变以-1℃/分钟的速度被冷却，同时维持顶部与底部单元板外部之间～2℃的温差，其中顶板较冷。跨包含LC的单元间隙的温差可以被估计为ΔT～0.1℃。在这些单元中，N到NF的转变作为跨其中在NF相中存在明显更大的双折射的尖锐的边界而出现。当该边界跨单元移动并且朝向下板移动时，其留下极性NF单畴，如图1B、图1C所图示。该冷却过程如图1B所草绘，其示出了NF相成核并且从较冷的表面出现在向列中，以及如由留下的均匀的橙色双折射颜色所证明的，生长以填充板之间的整个间隙并实现均匀的双折射定向结构。这种状态在交叉偏振器与分析器之间消灭，并且具有指示平面或几乎平面对准的双折射颜色，即，n和P通过单元是均匀的并且平行于板。具有大P的此类平面对准的NF单元的重要特征在于它们的块极化结构，其中P-n耦合的展开和在界面处的Px的终止被极化电荷的高静电能量成本所抑制。因此，对于P＝6μC/cm2的表面，任何表面施加的预倾角在极化自场穿透长度ξP＝√Kεo/P2～0.1nm内消失，其中P(r)-n(r)耦合变得局部平行于单元板，定向为其中Ex＝0。如果P旋转以形成x分量，则从表面处的极化电荷产生的Ex将行动以使P返回到平行于板。P的平面内定向可以通过施加几个V/cm的平面内电场来探测。在该生长态单畴中的n-P的均匀定向表明，当较冷的表面成核并且生长其优选的P的极性定向时，较暖的表面被迫采用非优选的极性定向。在同极性单元中，两个表面最终都处于其优选状态。
如果在N–NF转变以下～7℃或更低的温度下停止冷却，则这种情况会持续，其中极性单畴扩散以填充单元区域。然而，如果反极性单元进一步被冷却到T～120℃，则发生结构转变，其中多个畴边界成核并跨单元移动，从而留下图1D中的紫色区域。该紫色区域具有其自己的内部畴壁集(图1D)。值得注意的是，如图2A、图2B所示，在这个新畴中，不再获得沿光学极化方向具有n的交叉偏振器之间的光学消光，这指示非均匀的指向矢场，在缺少施加电场的情况下，该指向矢场仅可能是扭曲状态，其中n平行于板并且以恒定的螺旋地重定向。在该扭曲畴内，内部畴壁分离在交叉偏振器与分析器之间表现出相同的亮度和颜色(图1D)、并且如果偏振器与分析器未交叉则取决于未交叉角的符号而变得更暗或更亮的区域(图2E、图2F)。这是相反旋向性[左旋(LH)或右旋(RH)]的相同的扭曲状态对的光学特征。在单元中给定的位置处，橙色到紫色边界的推移介导了到宏观手性的自发转变。在图2中，器件200包括206、具有第一表面202的第一材料和具有第二表面204的第二材料。
由于在N–NF转变处生长的n(x)的均匀方位角定向场在较冷的板上具有其优选的定向(在x＝d处)，而在较暖的表面上具有能量上不太有利的条件(在x＝0处)，我们提出，较低的T转变到扭曲状态是n-P在较暖的表面翻转到其能量上有利的定向，以主体指向矢场的扭曲弹性能量密度为代价，此类各向异性表面相互作用的锚定强度的方便参数化由“表面穿透长度”l＝K/w给出，其中K是扭曲弹性常量，并且w是相关的能量密度系数。将扭矩施加到LC指向矢产生线性从而将进入到表面中的距离外推到零。对于典型的摩擦聚酰亚胺对准，取K＝5pN和wQ～10-4J/m2，我们得到使得此处使用的几微米厚的LC膜中发生变形，其中表面处的n(r)基本上沿四极优选定向中的一个定向固定。由于LC中的π扭曲的分数是由主体弗兰克弹性传送并被施加到表面上的扭矩不会使每个表面处的定向与四极表面摩擦优选能量最小值的定向相距甚远，或π。对于目前的反极性表面，较暖的表面上WQ的这些最小值将在和处，其中仅仅是因为WP，处的最小值具有较高的能量，并且处的最小值具有较低的能量。因此，处的最小值是亚稳态的，并且随着wP的幅度的增加，T由于P的幅度增加而降低，从到的转变在较暖的表面处变得可能。对于线性π扭曲，针对该转变发生的根据UT的条件是wP＞KΠ2/4d～5x10-6J/m2。这个最低要求比wQ小得多。LC的表面法向极性排序的性质变化很大，从半导体表面上5CB的完美极性顺序排序到针对镜像对称性分子的无极性顺序排序。铁电手性近晶表现出极性表面相互作用，该极性表面相互作用包括表面处的优选的法向极化反转和表面处的极化的诱导。在后一个实验中，表现出电斜效应(electroclinic effect)的手性近晶A具有经历垂直于表面的有效表面场Es～2V/μm的表面处的极化的法向分量。如果极性力是静电的，则相对应的能量/面积UP取决于相互作用体积的厚度l，其中UP～PEsl。对于NF相，假设分子尺寸的相互作用体积，类似的估计将给出UP～10-4J/m2和wP＝UPsinψ～10-5J/m2。表面极性也可以诱导LC极化，并且由此在表面附近产生挠曲电和顺序电梯度。
更详细地考虑随着N-NF生长前沿的接近在较暖的表面处的事件，如图1B所示，NF相取代了接触较暖擦光表面的N相，其指向矢位于四极指向矢定向表面能最小值中的一个最小值。NF指向矢具有相同的定向，但由表面在N相中诱导的极性定向与接近的NF前沿的极性定向不匹配：PPR壁在均匀的指向矢场中被创建。该几何形状在接近N-NF转变的温度下至少是亚稳态的。在较低的温度下，在表面附近的n的定向改变π，从而转变为另一个四极最小值，但使表面处的P保持固定。如果沿x的温度梯度减小，则NF将从两个表面生长，并且PPR壁将形成在主体中。这种情况如图2C所草绘，图2C还示出了可能会发生的简单拓扑转变，由此在PPR壁处的P-n的适当扭曲变形降低了被反转的P的分量的幅度，从而导致PPR壁的消失和扭曲壁的出现，该扭曲壁扩散以填充单元，从而给出πT状态。这是势垒受限的转变，因为初始扭曲必须在PPR壁的宽度上相当大。如果T中的梯度存在，则消除较暖的表面附近的PPR壁的过程基本上相同。此类势垒受限的拓扑转变导致图2中明显的非均匀成核和生长。均匀状态与π-扭曲状态之间的尖锐边界证明了较暖的板处的表面状态的亚稳定性。因此，和处的四极表面能最小值之间的表面定向转变是孤立的，在结构上与手性近晶铁电LC(SSFLC)中的表面稳定的π重定向壁非常类似，并且类似地由双正弦Gordon等式描述。
分离πT状态的壁是拓扑的：2π扭曲壁(2πTW)。这些状态如图1、图2所示，示出了在这种单元几何形状中，在摩擦方向几乎平行于电极边缘的情况下，单元中处于中等高度的极化P(x＝d/2)垂直于电极，对于πTL状态是在y方向上，并且对于πTR状态是在-y方向上，并且因此平行或反平行于施加的场E。2πTW由主体n和P场中的2π扭曲向错线组成(图2、图3)。在图3中给出扭曲壁环的场诱导成核的拓扑转变也是势垒受限的，从而导致图3中明显的LH畴的非均匀成核。从这个讨论中应当清楚的是，实际上铁电向列的n-P耦合的扭曲平面重定向的任何几何形状都可以通过使用具有适当预倾角的所选择的双向摩擦或单向摩擦的对准表面并结合手性掺杂来稳定在板之间，以控制不同的、以其他方式退化的、扭曲状态的相对稳定性，如扭曲向列型器件中所采用的。
平面内铁电光学和动力学——考虑到上文描述的平面定向的单元几何形状，场诱导的定向动态响应可以被分为两种主要类型：主要由场旋转(ERT)产生的响应和主要由场反转(ERV)产生的响应。这种划分在图4A、图4B的动态模拟的1D场诱导的定向轮廓中被图示，其示出了初始LHπT状态对所施加的平面内场Ey的响应的这些不同的动态限制，该所施加的平面内场在时间t＝0接通。图4D是ERT情况，其对将由阶梯式场旋转生成的Ey的改变的类型的效果进行建模。此处Ey倾向于定向P＝Py，这也是在单元中心处的起始P[P(x＝d/2)＝Py，如图2所示]。一旦该事件结束，最终的场诱导配置(图4D中的黑色曲线)受到场反转(ERV)的影响。对于具有非极性表面的单元，表面上的极性定向可以独立地反转，从而产生均匀的πTL和πTR状态的混合，并且由此产生的表面壁可以由施加的场移动。相比之下，在3.5μm厚的反极性单元中，我们确实观察到场诱导的极性表面重定向，在我们的E场实验中，表面保持在它们的极性优选的最小值，并且此处在图4B、图4D中呈现的对反极性单元的模拟具有固定的表面定向。但是，一般来说，对于有限也可能存在由场诱导扭矩诱导的表面定向转变。我们在以下三个部分中考虑ERT、畴壁和ERV情况。在每种情况中，场变量E都是被施加于测量区域的变量：ERT和ERV情况中的探针激光光斑；以及针对畴动力学图像的电极间隙中心中的探针激光光斑。在间隙中心E≈0.66v/(1mm)中，其中v是被施加到电极间隙的电压，这是由于从薄电极边缘在x方向上的场扩散而引起的减小。
ERT动力学——在ERT响应中，P的场诱导的重定向、最终平行于施加的E，为场施加的扭矩，倾向于使P朝向旋转。将Ey>0施加到图2D的几何形状，除了在x＝0和x＝d处的表面区域外，该状况以连续的方式在单元中以固定拓扑在各处获得，在该表面区域中，扭曲被挤压成与deGennes场穿透长度相当的厚度：对于P＝6μC/cm2以及施加的场Ey＝40V/mm，ξE＝√K/PE～50nm。在场E>1V/mm时，其中扭曲被限制在亚波长厚的表面区域，该单元的光透射将接近均匀双折射板的光透射，从而沿y和z使用交叉偏振器和分析器给出近消光。在该模拟中，Ey＝40V/mm，并且表面锚定被假设为无限强，分别被固定在和处。
对施加场的定向响应由动态扭矩平衡等式控制，该等式在图4B、图4D中进行了模拟，并且其中γ是向列型旋转粘度。如果ξE＜＜d(此处通常是这种情况)，则铁电和粘性扭矩占主导地位，并且铁电/粘性扭矩平衡独立地控制样本的每个ξE×ξE×ξE体积元素的响应。如果在体积内被认为是均匀的，我们获得从而产生其中是所讨论的体积中的P与Ey之间的起始角度，并且Ey＝VIN/L，其中L是有效电极间隙。对于小的这给出了具有特性松弛时间τE＝γ/PEy的指数动力学。使用这些近似，使得在重定向期间应维持的线性，如图4D中事实上看到的。ERT重定向响应时间τE是固有的、粘度限制的响应时间，是对于给定的γ和P可实现的最快响应时间，该时间按1/E缩放，并且根据图4D中的模拟绘制，如图4A中的下部白线。ERT几何形状中的电光响应是通过使用图4E的四电极几何形状中的西电极上的短Ey脉冲在RM734中测量的，以用于在T＝110℃下重定向5μm厚的随机平面单元。小的DC偏置最初被施加到西电极，以给出并最大化交叉偏振器与分析器之间的起始透射强度Io。假设均匀定向，透射强度由给出。典型的测得的响应(青色实曲线)由(蓝线)拟合，对于Ey＝40V/mm场阶跃产生τE＝γ/PE＝71μs。光学响应在0.66V/mm<Ey<36V/mm范围中被测量，并且拟合到以获得τE相对于Ey，如图4A中的青色方块绘制的数据。在该范围的下半部分，我们发现τE∝1/Ey，正如对的预期，但对于更高的场，τE随着Ey下降慢得多。使用P＝6μC/cm2对较低场数据进行拟合给出了γ＝0.15Pa s，这提供了用于模拟的τE的值，从而给出了图4A中的白色虚线模型线。
为了理解高场行为，我们认为，尽管P的大值提供了定向与施加的场的强耦合，但它也产生了普遍存在的空间电荷效应，这可能会显著减缓动力学。在此处研究的所有平面内场单元中，在NF相与电极的界面处存在有效的薄绝缘势垒，该势垒要么不具有极化，要么其中极化定向固定。此类层使用施加的电压的部分来维持自由电荷载流子与在与NF的绝缘界面处强制的极化电荷的物理分离。例如，用于对准的聚合物膜创建此类层，但即使是图4E中的单元，其中界面是NF/金，也存在此类绝缘层。如果它具有C法拉/cm2的电容，则针对的上文等式中的Ey＝VIN/L应修改如下
这通过去极化电压减少了Ey。总体上，这些电容器是泄漏的，其中自由电荷通过到极化电荷，过程可以被建模为与C并联的电阻RΩ/cm2。然后，我们获得在低Ey时，响应足够慢，使得P/C电压松弛，从而在LC层上留下完整的VIN/L场，并且给出τE＝γ/PEy行为。
畴介导动力学——总体上，对于小的施加的平面内E，LH和RHπT状态将具有与场的相互作用的不同的净能量。因此，如果两者都存在于单元中，它们之间的2πTW边界将在y,z平面中移动，以扩大场中的那些低能态的面积，或者新的低能态将成核。此类2πTW创建或运动本质上是滞后的，潜在地实现双稳态电光效应。2πTW创建的示例如图3所示，使用平面内d＝3.5μm反极性单元，其中ITO电极间隔1mm。该场非常缓慢地变化(～0.1Hz)，并且在E<0.3V/mm处很弱，其中随着场的增加，RHπT状态的显著连续畸变被较少畸变的LHπT畴的成核和生长打断，这些畴最终占据了整个单元面积(图3)，并且如果E返回到零，则将保持不变。场方向从反平行擦光方向的平分线偏移3°，以便有利于P的逆时针重定向。因此，分离畴的2π扭曲壁将在接触时相互湮灭，并随着LH区域生长而消失。
ERV动力学——ERV重定向通过从作为ERT过程的最终配置的场限制的LH状态(实心黑色曲线，图4D、图4B)开始以及翻转Ey的符号来模拟。现在，整个单元中心在与Ey的方向相反的方向上具有P，其中P经历来自场的零扭矩的定向，并且由此不响应。然而，在表面附近，其中P被重定向到表面偏好，存在扭矩，因此响应在此处开始，发展成孤子，孤子以v＝ξE/τE的速度朝向单元中心传播，从而在场反转时间τR＝d/2v≈τE(d/2ξE)中到达中心。这会留下以x＝d/2为中心的片，其中P在P的等效定向之间形成重定向。该片经由顺序重建的拓扑过程或扭曲向错环的自发出现而消失，无论哪种方式，都会改变旋向性以留下场限制的RHπT配置。模拟时间τR被绘制为图4A中的上部白线，随E变化为τR∝E-1/2，而τE∝E-1。在我们的场范围中，τR与τE相比由于P在时等待孤子到达花费的时间而较大。
ERV动力学已经在图2的对方波驱动的扭曲状态的响应中进行了实验探测，如图4B中所模拟的。光学响应实现孤子传播(浅粉色)和拓扑转变(浅蓝色)制度的标识。图4C示出了通过交叉偏振器/分析器的光透射(平行于E)相对于在t＝0的方波中的电压反转之后的时间。该响应对于+/-和-/+反转是相同的，从而指示在每次反转时都会获得LH与RH限制的T状态之间的完全转变。一旦孤子已经传播并且重定向完成，基线光透射就会非常低——只有90°旋转，ξE厚的表面区域使光去极化。随着E增加，因为孤子变得更薄，所以由于行进的孤子的整体光透射(浅粉色区域)变得更小。孤子到达单元中心是由不同的光峰(图4B、图4C、白色圆圈)预示的，该光峰由中的瞬态的、延伸的线性变化关于而产生(白色圆圈，图4B、图4C)。该峰之后直接进行顺序重建，其完成到相反旋向性的限制状态(浅蓝色区域)的转变。该过程的总转变时间τR相对于E在图4A中绘制(点颜色与图4C中的颜色相匹配)，并且比τE长得多。图4B的模拟给出了不具有可调节参数的类似的τR值，即仅使用来自ERT数据中的γ/PE值。还绘制了来自(X.Chen,E.Korblova,D.Dong,X.Wei,R.Shao,L.Radzihovsky,M.Glaser,J.Maclennan,D.Bedrov,D.Walba,N.A.Clark,“热致向列型液晶中铁电性的第一性原理实验演示：自发极性畴和冲击电光”,美国国家科学院院刊,117,14021-14031(2020))的图3C的光学和极化场反转响应时间，针对方波驱动但在不同的单元几何形状中获得(黑点)。这些响应时间与图4B、图4C的响应时间相当，这指示场反转的类似响应延迟效应。有趣的是，这些单独的数据集都表现出接近τR∝E-1依赖性而不是从孤子模型预期的τR∝E-1/2。这种差异可能是由于孤子模型和模拟中的假设，即在开始时，远离表面，存在完美的极性顺序，其中P场稳定在处。当场切换时，这种条件迫使每个孤子行进单元厚度的一半，即d/2，以便切换单元。然而，在实践中，由于缺陷、表面不完整和热波动，P很少在单元内部中处于处，并且一旦场切换，就会经历扭矩并开始不均匀地重定向。随着电场增加，该过程将更快地进行，并且将导致基本上重定向的畴的局部成核和孤子介导的生长，这取决于晶种的大小和定向偏差。在此类畴出现和扩展的程度上，用于完全反转的净时间将减少，因为孤子将具有更小的覆盖距离。τR∝E-1行为将暗指平均孤子行进距离随着E的增加而减小，即E-1/2。图4A中的ERV数据将表明这可能会是普遍行为。
向列型和铁电向列型织构——LC具有流动性和顺序的显著结合的特征，这表现在它们自己对表面唯一简单的宏观响应上。在平板之间的薄单元中，主体LC组织受到表面相互作用的强烈影响，从而导致微米到毫米尺度上的特定的织构、主体结构主题的形成，其反映了表面、场和弹性能量的平衡。对这些织构的分析通常使用去极化透射光显微镜，这能够实现对表面对准特性和如相行为、弹性和对称性之类的关键的主体LC属性两者的研究。弗里德尔对近晶的发现是该研究的典型的示例。在单元中，如果两个表面上的偏好不同，则通常每个偏好都应当以某种方式出现在主体中，要么出现在任何给定的单元中，要么作为许多单元中的LC组织上的统计平均值。例如，在混合对准的单元中(一侧的n垂直于表面，并且另一侧的n平行于表面)，表现出这两种偏好的展开-弯曲向列型织构。如果两个表面在结构上相等，但在优选定向上不同(例如，在正交方向上摩擦)，则不同的表面偏好必须以某种方式在主体LC中等效地表达，因为它们确实处于形成的90°扭曲的向列型织构中。另一方面，平面对准的近晶可以通过形成局部填充单元的畴来适应此类90°单元中的表面，一些畴在0°表面之后，并且另一些畴在90°表面之后，其中当在许多单元上取平均时，这些畴的面积相等。
这把我们带到了NF相的单元，在其中，对于LC对准物理学来说是新颖的，针对表面处的极性排序出现了类似的条件。如果两个单元表面具有不同的优选极性定向，则两者都必须表现在单元织构中。如果表面在结构上相同，但极性定向不同，则竞争的极性定向必须等价地表达。向列中此类行为的第一确定性示例是在两个表面上具有相反单向擦光的单元中的πT状态，如图1、图2所示。这些状态在方位角定向中的分布是关于对称的，由此等价地包含竞争的极性表面定向。这种情况是通过在来自一个表面的NF的温度梯度中生长而在另一个表面留下PPR壁来实现的，PPR壁在较低温度下变得不稳定，从而导致扭曲状态的形成。没有梯度的冷却导致单元内部的PPR形成，如图2C所示，这给出了具有平行于单元板的PPR壁的均匀指向矢场，从而实现两个表面偏好之间的转变。图2C中的到扭曲状态的转变是势垒受限的，因此PPR壁可以是稳定的或亚稳定的，这取决于其相对于扭曲的能量成本的能量成本。当在没有梯度的情况下冷却时，N/NF界面从两个表面移动到单元中，并且可以相互作用。例如，将存在热相互作用和耦合的Mullins-Sekerkra的不稳定性的可能性，因为一个界面释放热量的方法将减缓另一个界面的前进。
极性介质——主体FN LC(例如，如本文中所描述的体积)可以被认为是3D极性介质，该3D极性介质填充有连续的单位向量场v(r)＝P(r)/P，其3D结构由其静电和弗兰克弹性以及由与其表面的相互作用的2D位置和向量性质决定。进而，此类3D极性介质可以充当向量溶剂，该向量溶剂沿v(r)局部定向极性溶质分子。如果我们将主体FN RM734中的单个RM734分子视为铁电向列型溶剂中的理想化测试溶质分子，则对于P＝6μC/cm2，我们可以从我们的原子模拟中估计将此类溶质分子从其分子偶极平行于v(r)的优选定向翻转到反平行定向的静电能量成本约为10kBT。由此，对于具有适当空间和偶极结构的分子(例如，具有纵向平均偶极矩的杆状分子)，v(r)实际上是强对准场，该强对准场最终由表面控制。
我们已经示出了，在铁电向列中，表面极性在提供与宏观场变量的耦合中发挥着全新的作用。
材料和方法
RM734的合成–2,4-二甲氧基苯甲酸4-[(4-硝基苯氧基)羰基]苯基酯(4-[(4-nitrophenoxy)carbonyl]phenyl 2,4-dimethoxybenzoate)(RM734)是由Mandle等人首次合成的杆形介晶，如上所述。据报道，它具有各向同性(I)相和具有向列型特性的两个附加相，其转变温度如下：I–187℃–N–133℃–NX–X。我们的制备，如参考文献(M.O'Neill,S.M.Kelly,“液晶显示器的光诱导表面对准”,J.Phys.D–Appl.Phys.33R67-R84(2000).DOI:10.1088/0022-3727/33/10/201)所描述，给出了如下转变温度：I–188℃–N–133℃–NF–X。
对所施加电场的响应的观察——通过将LC样本填充在间隔为期望间隙d的玻璃板之间来作出实验单元。用光刻图案化的ITO或金电极涂覆板(例如，102、104、202、204)，以用于施加平面内电场。板可以是具有表面的材料。具有单向擦光对准层的单元是从英斯泰克公司获得的。实验在温度受控的环境中执行，其中使用去极化透射光显微镜对安装在研究显微镜的旋转台上、并且在偏振器之间的透射光中成像的单元进行电光观察。
图5图示出根据本公开的各种实施例和示例的器件500。器件500包括体积502、一种或多种材料504、506，该一种或多种材料504、506包括与体积502接触的一个或多个表面508、510。器件500还包括用于将电场施加到体积的一个或多个电连接512、514以及用于将电磁场电场施加到体积的装置516。
上文所描述的本公开的示例实施例并不限制本发明的范围，因为这些实施例仅仅是本发明的实施例的示例。任何等效的实施例都旨在落入本发明的范围内。事实上，除了本文中示出和描述的各种修改之外，诸如所描述的元件的替代有用组合之类的本公开的各种修改对于本领域技术人员来说根据描述可以变得显而易见。此类修改和实施例也旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (50)

1.一种器件，所述器件包括：
体积，所述体积包括铁电向列型液晶形成分子，所述体积包含铁电向列型液晶相，所述铁电向列型液晶相包括具有贯穿所述体积的电极化密度的向量定向场；以及
一种或多种材料，所述一种或多种材料包括与所述体积接触的一个或多个表面，其中，所述一个或多个表面被配置成用于赋予所述分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性在与所述一个或多个表面的界面处控制所述向量定向。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述一种或多种材料包括第一材料和第二材料，所述第一材料包括与所述体积接触的第一表面，并且所述第二材料包括与所述体积接触的第二表面。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述第二表面被配置成用于赋予所述分子的有利的表面极性，以在与所述第二表面的界面处控制所述体积内的所述分子的向量定向。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括局部垂直于且指向远离所述一个或多个表面中的至少一个表面的分量。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括局部垂直于且指向朝向所述一个或多个表面中的至少一个表面的分量。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括与所述一个或多个表面中的至少一个表面局部相切的分量。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述分量包括围绕与所述一个或多个表面中的至少一个表面垂直的表面的唯一有利的方位角定向。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括由对所述一个或多个表面中的表面的单向擦光而创建的分量。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性使用由电磁波对所述一个或多个表面中的表面的倾斜照明而创建。
10.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括经由由对所述一个或多个表面中的表面的照明引起的光聚合而创建的分量。
11.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括经由由对所述一个或多个表面中的表面的照明引起的光聚合而创建的分量，其中所述照明是倾斜的。
12.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括经由由对所述一个或多个表面中的表面的照明而引起的光降解而创建的分量。
13.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括经由由对所述一个或多个表面中的表面的照明引起的光聚合而创建的分量。
14.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括由将材料沉积到所述一个或多个表面中的表面上而创建的分量。
15.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括由将材料沉积到所述一个或多个表面中的表面上而创建的分量，其中所述沉积是倾斜的。
16.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括通过从所述一种或多种材料中蚀刻材料而创建的分量。
17.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括通过从所述一种或多种材料中蚀刻材料而创建的分量，其中所述蚀刻是倾斜的。
18.根据权利要求1-17中的任一项所述的器件，进一步包括：
一个或多个电连接，所述一个或多个电连接用于将电场施加到所述体积。
19.根据权利要求1-14中的任一项所述的器件，进一步包括：
装置，所述装置用于将电磁场电场施加到所述体积。
20.一种用于在与一种或多种材料的界面表面处控制铁电液晶的极化场的三维中的有利的向量定向的方法，所述方法包括：
提供体积，所述体积包括铁电液晶形成分子；
提供第一材料，所述第一材料具有与所述体积接触的第一表面；以及
使用所述第一表面、赋予所述分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性控制所述体积中的所述分子的所述有利的向量定向。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步提供第二材料，所述第二材料具有与所述体积接触的第二表面。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括局部垂直于所述表面且指向朝向所述表面的分量。
23.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括局部垂直于所述表面且指向远离所述表面的分量。
24.根据权利要求20-23中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括与所述第一表面局部相切的分量。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述分量包括围绕表面法线的唯一有利的方位角定向。
26.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括由对所述第一表面的单向擦光而创建的分量。
27.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括使用由电磁波对所述第一表面的倾斜照明而创建的分量。
28.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括经由由对所述第一表面的倾斜照明引起的光聚合而创建的分量。
29.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括经由由对所述第一表面的倾斜照明引起的光降解而创建的分量。
30.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括由将材料倾斜沉积到所述第一表面上而创建的分量。
31.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，其中，所述分子的所述有利的表面极性包括由从所述第一表面倾斜蚀刻材料而创建的分量。
32.根据权利要求20-31中的任一项所述的方法，其中，所述第一表面与所述体积的所述接触是在第一温度相下进行的，并且所述体积在第二温度下被冷却成铁电向列相。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述体积包括处于所述第一温度的向列相。
34.根据权利要求32或权利要求33所述的方法，其中，所述体积包括处于所述第一温度的各向同性材料。
35.根据权利要求20-34中的任一项所述的方法，其中，所述体积包括铁电向列相。
36.根据权利要求20-35中的任一项所述的方法，其中，采用界面控制来建立具有铁电向列型液晶的所述体积中的自发极化场的三维中的极性向量定向。
37.一种形成铁电向列型液晶器件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供体积，所述体积包括处于向列状态的铁电液晶形成分子；
提供第一材料，所述第一材料包括与所述体积接触的第一表面；以及
赋予所述分子的有利的表面极性，所述有利的表面极性在与所述第一表面的界面处控制向量定向。
38.根据权利要求20-37中的任一项所述的方法，其中，建立具有铁电向列型液晶的所述体积中的自发极化场的三维中的极性向量定向的界面控制通过将具有液晶的所述体积从较高温度相冷却到铁电向列型液晶相来实现。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述较高温度相是非铁电向列相。
40.根据权利要求38或权利要求39所述的方法，其中，所述冷却被配置成用于在冷却到所述铁电向列相期间维持所述液晶内的温度梯度。
41.根据权利要求38或权利要求39所述的方法，其中，所述冷却被配置成用于在冷却到所述铁电向列相期间维持所述液晶内的温度梯度，所述梯度使所述铁电向列相能首先形成在所选择的表面上。
42.根据权利要求16-35所述的方法，进一步包括将电场施加到所述铁电向列相的步骤。
43.根据权利要求1-42所述的器件和方法，进一步包括溶解在所述铁电向列相中的掺杂剂分子。
44.根据权利要求43所述的器件和方法，其中，所述掺杂剂分子具有偶极矩，所述偶极矩优选地通过邻近或在它们附近的FNLC的向量定向场对准。
45.根据权利要求1-44所述的器件和方法，其中，所述铁电向列相是两个或更多个不同分子种类的混合物。
46.根据权利要求45所述的器件和方法，其中，所述铁电向列相是共晶混合物。
47.根据权利要求1-46所述的器件和方法，其中，当温度降低时，所述FNLC的体积向量定向形成定向玻璃。
48.一种器件，所述器件包括：
体积，所述体积包括铁电液晶形成分子；以及
第一材料，所述第一材料包括与所述体积接触的第一表面，
其中，所述第一表面被配置成用于赋予所述分子的有利的表面极性，以在与所述第一表面的界面处控制所述体积内的所述分子的向量定向。
49.根据权利要求48中的任一项所述的器件，其中，所述体积包括铁电向列相。
50.根据权利要求48或权利要求49所述的器件，包括根据权利要求2-19和权利要求43-47的限制中的任何限制。
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