Étude des propriétés diélectriques sur un cristal liquide ferroélectrique : effet d'ancrage, champ de dépolarisation et lignes de déchiralisation

par Harrod Logbo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ioannis Lelidis.

Soutenue en 2013

à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens) , en partenariat avec Physique des systèmes complexes (Amiens) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Tolédano.

Le jury était composé de Ioannis Lelidis, Abdel Illah El Abed, Maurizio Nobili, Abdelylah Daoudi, Bruno Mettout.

Les rapporteurs étaient Abdel Illah El Abed, Maurizio Nobili.


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des propriétés diélectriques et optiques d'un nouveau cristal liquide ferroélectrique (FLC) en géométrie confinée sous champ statique. Une attention particulière est portée aux effets du champ de dépolarisation, ainsi qu'aux effets ioniques, d'ancrage et d'épaisseur. Dans une première partie, nous étudions par spectroscopie diélectrique la réponse du cristal liquide à une excitation électrique sinusoïdale superposée à un champ continu, dans la phase ferroélectrique chirale SmC*, loin de la température de transition. Les résultats des mesures de permittivité, après cyclages sous champ électrique, présentent une double hystérésis en champ. Cette hystérésis manifeste plusieurs comportements qui ne peuvent être expliqués par les propriétés connues de la structure électrique hélicoïdale d'équilibre en bulk du FLC. Notons, par exemple, la dissymétrie des cycles par rapport à l'origine, et la présence d'un gap des valeurs de la partie réelle de la permittivité à champ nul pour deux passages consécutifs dans un cycle. Dans l'hypothèse où ces comportements seraient d'origine ionique, un protocole expérimental nommée "STEP" a été développé pour réduire les charges ioniques présentes sur la cellule de mesures. Par ailleurs, des observations optiques montrent l'apparition de lignes de déchiralisation dans la phase ferroélectrique lors de la transition de phase induite sous champ, qui présente une hystérésis parallèle à celle des propriétés diélectriques. Le comportement complexe d'apparition et de disparition de ces lignes de déchiralisation est discuté. La deuxième partie du travail est consacrée à plusieurs modèles théoriques utilisés pour tenter d'expliquer les résultats expérimentaux. Une première série de modèles s'appuie sur l'hypothèse ionique, et donne un accord qualitatif correct avec les données de spectroscopie et les données optiques concernant les lignes de déchiralisation. Cependant un modèle concurrent, dans lequel les hystérésis mises en évidence à faible champ sont dues à l'apparition d'un ordre ferriélectrique dans le système des lignes de déchiralisation donne également un bon accord. Ce dernier a en plus l'avantage de rendre compte des courbes d'hystérésis champ/polarisation à double boucles faites en complément des mesures spectroscopiques. Dans une troisième partie, nous étudions l'effet du vieillissement du cristal liquide d’un côté, et de l'intensité de l'ancrage en surface, de l'autre. En vieillissant sous champ les molécules instables du FLC produisent des ions qui, d'une part, modifient le champ de dépolarisation, et donc indirectement la structure électrique statique interne dans les cellules de mesure, et de l'autre, fournissent une contribution directe à leur réponse diélectrique en alternatif. Cette dernière masque partiellement la réponse à basse fréquence de l'hélice dans le FLC : partie réelle de la permittivité diélectrique, amplitude diélectrique, et fréquence de relaxation. En ajustant les diagrammes Cole-Cole à haute fréquence nous retrouvons les effets de l'hélice seule et en étudions les variations en fonction de la température, du champ statique et du temps de vieillissement. Enfin, nous comparons les propriétés diélectriques de nos cellules avec deux types d'ancrage de surface, dont l'un était à l'origine considéré plus intense. Aussi bien pour le vieillissement que pour l'ancrage, nous constatons une modification quantitative peu spectaculaire de plusieurs paramètres diélectriques du FLC, sans que nous soyons capables d'en donner une explication théorique réellement satisfaisante, ni même de mettre en évidence sans équivoque un accroissement de la force d'ancrage ou de la densité ionique

  • Titre traduit

    Dielectric properties of a ferroelectric liquid crystal : anchoring effect, depolarization field and dechiralization lines


  • Résumé

    This thesis presents the experimental studies of dielectric spectroscopy and optical properties of a new ferroelectric liquid crystal ( FLC ) in confined geometry under static field. Particular attention is paid to the effects of the depolarization field, as well as ions, anchoring and thickness. In the first part of this work, the dielectric response to a low sinusoidal electric excitation superimposed by a DC Bias field is performed in the chiral ferroelectric phase (SmC*) far from the transition temperature. Thus, the dielectric permittivity measurements exhibit a double-hysteresis, after cycling in an electric field. This result shows several behaviors, like (*) the asymmetry of cycles relative to the origin, (**) the presence of gap values between two consecutive passages in first half cycle of the real part of the permittivity at zero field that cannot be explained by the known properties of the equilibrium of the helical structure under electric field, in the FLC bulk. In the assumption that these behaviors would have a ionic origin, an experimental protocol "STEP" has been developed to reduce the ionic charges on the cell measurements. Furthermore, optical observations show the appearance of dechiralization lines in the SmC* phase under field. This observation exhibits a hysteresis parallel to the dielectric measurements. The complex behavior of appearance and disappearance of these dechiralization lines is also discussed. The second part of the work is devoted to several theoretical models to explain the experimental results. The first is based on the ionic hypothesis which gives a correct qualitative agreement with spectroscopic measurements ('(bias)) and optical observations (dechiralization lines). However, a competing model , in which the hysteresis highlighted at weak field, are due to the appearance of a ferrielectric order in the dechiralization lines system gives a better agreement. The latter has the advantage to account for the hysteresis curves of polarization versus electric field, made in addition to the spectroscopic measurements, which present a single-to-double loops as the frequency is varied. In a third part, the effects of aging of the FLC on one hand, and the surface anchoring intensity on the other are investigated. The aging under electric field, the unstable molecules of the FLC produce ions which influence the depolarization field and therefore indirectly the internal structure of the cells. These ions provide a direct contribution to the dielectric properties which partially mask the response of the FLC at the low frequency: real part of the dielectric permittivity, dielectric amplitude and relaxation frequency. By adjusting the Cole -Cole diagrams at high frequency, the effects of the helix are mainly studied as function of different parameters: temperature, static field and aging time. Finally, the dielectric properties of other cells with anchoring considered like more intense have been compared. Both for aging and for anchoring, we see a small quantitative change in the dielectric parameters of the FLC, without being able to give a really satisfactory theoretical explanation

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Informations

  • Détails : 1 vol. (194 p.)
  • Annexes : Bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Picardie Jules Verne. Bibliothèque universitaire. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T 51 2013-6
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