diffusion optique induite par le champ électrique dans les

DIFFUSION OPTIQUE INDUITE PAR LE CHAMP
´
ELECTRIQUE DANS LES STRUCTURES
N´ EMATIQUES
G. Assouline, E. Leiba
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G. Assouline, E. Leiba. DIFFUSION OPTIQUE INDUITE PAR LE CHAMP ´ ELECTRIQUE
DANS LES STRUCTURES N´ EMATIQUES. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C4),
pp.C4-109-C4-113. <10.1051/jphyscol:1969426>.<jpa-00213728>
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JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C 4, supplément au no 11-12, Tome 30, Nov.-Déc. 1969, page C 4 - 109
DIFFUSION OPTIQUE INDUITE PAR LE CHAMP ÉLECTRIQUE
DANS LES STRUCTURES NÉMATIQUES
G. ASSOULINE, E. LEIBA
Résumé.
- Un milieu nématique soumis à un champ électrique et traversé par le courant élec-
trique devierit fortement diffusant. L'origine du phénomène est le mouvement d'ions négatifs dans
le milieu. Nos expérimentations faites avec un produit commercial, le p-(p-ethoxyphenylazo
phényl heptanoate) montrent que cet effet présente un seuil de tension. Ce seuil pourrait corres-
pondre
à une ionisation du milieu. Celle-ci ne serait pas responsable directement des ions négatifs,
seuls utiles au phénomène de diffusion, mais favoriserait par un effet secondaire, la formation de la
charge d'espace.
Abstract. - A nematic liquid crystal subjected to an electrical field becomes turbulent and
scatters strongly the incident
light. This effect is due to the flow of negative ions which shear the
liquid crystal.
Our experiments, with a commercial nematic, p-(p-ethoxyphenylazo phenyl heptanoate), show
that there is a voltage threshold. This threshold possibly corresponds to an ionization of the liquid.
Tt is thoirght that this ionisation produces the negative ions by a secondary effect which is related
to a cathode potential fall.
1. Introduction. - Les molécules des corps présen-
tant une phase mesomorphe sont de forme allongée.
La phase dite nématique est caractérisée par l'orien-
tation commune que prennent les axes des molécules.
Une couche de cette structure est de ce fait optique-
ment anisotrope. On peut agir sur la direction de l'axe
optique à l'aide d'un champ électrique ou magnétique.
Ceux-ci ont en effet la propriété d'orienter les molé-
cules du nématique.
L'effet étudié ici est un effet nouveau mis en évi-
dence par Heilmeier
[l] et dénommé par lui « dynamic
scattering mode
» (DSM). Cet effet est la base de la
plupart des applications des structures nématiques dans
le domaine de l'électrooptique. Il est provoqué par
l'application d'un champ électrique, accompagné du
passage d'un courant. En absence de champ, le milieu
est parfaitement transparent
; l'application du champ
rend
ce milieu fortement diffusant.
Nous rapportons ici des mesures effectuées sur cet
effet concernant plus spécialement un produit choisi
pour sa gamme de température très large (600
à 119 OC)
et pour ses caractéristiques bien adaptées aux exi-
gences de la visualisation. Plusieurs observations
viennent confirmer la théorie donnée par Heilmeier
;
cependant, d'autres constatations ont été faites, qui
demandent des explications complémentaires.
II. Description
du phénomène. - La cellule est
formée d'un condensateur plan où le diélectrique est
un film de nématique (Fig.
1). L'épaisseur de celui-ci
est déterminée par deux cales de mylar, fixant l'écar-
tement des électrodes de 6
à 100 p. Nous avons utilisé
surtout des dépôts métalliques sur des lames de verre
comme armatures.
ELECTRODE SEMI.TRANSPARENTE
CALES DE MYLAR
(6 A 100t11
LAME DE VERRE
\
CRISTAL
LlOUlOE
ELECTRODE RCFLECH~SSANTE
FIG. 1. - Structure de la cellule.
Notre étude a porté principalement sur un produit
du commerce, le p-(p-ethoxyphenylazo) phenyl hepta-
noate nématique entre 600 et 119 OC.
La figure 2 représente le dispositif de mesure de
la diffusion optique. Celle-ci se produisant surtout
vers l'avant, l'électrode inférieure est parfaitement
réfléchissante. L'électrode supérieure a une transmis-
sion de l'ordre de 50
%. L'éclairement est effectué
sous incidence oblique
à l'aide d'un laser He-Ne ou
d'une lampe
à filament de tungstène. Une lentille
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969426

G. ASSOULINE, E. LEIBA
PHOTOMULTIPLICATEUR
LENTILLE COLLECTRICE
FIG. 2. - Dispositif de mesure de la diffusion
induite par le champ électrique.
placée entre la couche et le photomultiplicateur
recueille le rayonnement diffusé dans la direction
perpendiculaire
à la couche. En l'absence de champ,
le courant du photomultiplicateur correspondant à
la faible diffusion existante est pris égal à l'unité.
Nous définissons ici le contraste comme le rapport
entre l'indication du photodétecteur en présence et en
absence de champ électrique,
La figure
3 représente la courbe de contraste relevée
dans ces conditions.
augmente la tension, le contraste augmente, permet-
tant ainsi la représentation des teintes intermédiaires.
Au-delà d'une certaine tension, variable avec I'épais-
seur du sandwich, l'effet présente une saturation
marquée.
Le contraste maximal est de l'ordre de 12
; il est
indépendant de i'épaisseur du sandwich, c'est-à-dire
du nombre de centres diffuseurs.
En lumière non polarisée, le contraste maximal n'est
que de
6 ou 7, ceci s'expliquant par la réflexion diffé-
rente du verre suivant la polarisation.
La figure
3 donne également la variation du courant
en fonction de la tension. On constate, d'une part que
le courant existe avant que ne se manifeste l'effet de
diffusion et, d'autre part, qu'il n'y a pas saturation.
Un relevé plus minutieux du courant pour les faibles
tensions montre (Fig.
4) que la courbe présente un
coude précisément
à 5,5 V et ceci quelle que soit
l'épaisseur. Ce coude est suffisamment net pour indi-
quer que l'effet de diffusion est lié
à une apparition
de porteurs de charges.
FIG. 4. - Courbe 1 = f (Y).
FIG. 3. -Diffusidn et courant en fonction de la tension,
épaisseur
8 p, T = 620. Contraste =
1 Diffusé en présence du champ
J Diffusé sans champ
On constate que la diffusion induite par le champ
électrique débute assez brusquement
à partir d'une
tension de 5,5 volts.
Il s'agit effectivement d'un seuil
en tension, et non en champ électrique, tout au moins
pour des épaisseurs inférieures
à 100 y. Lorsqu'on
III. Etude expérimentale. - L'origine de cet effet
de diffusion a été établie par Heilmeier et all. La diffu-
sion est provoquée par la formation d'ions négatifs
apparaissant
à la cathode et se déplaçant sous I'effet
du champ vers l'anode en entraînant de la matière.
Le mouvement de ces ions provoque la désorien-
tation des molécules du nématique, et en conséquence
la diffusion de la lumière, soit par cisaillement dû
à un champ de vitesse (molécules à axe d'inertie distinct
de l'axe dipolaire), soit par courants de convection
provoquant des turbulences.

DIFFUSION OPTIQUE INDUITE PAR LE CHAMP ELECTRIQUE C4- 111
L'existence de cette charge d'espace entraîne un
gradient de pression
à l'intérieur de la cellule, ainsi
qu'il
a été constaté expérimentalement, et cette diBé-
rence de pression entre anode et cathode apparaît à
peu près en même temps que l'effet de diffusion.
Ce qui est moins bien établi, c'est le point de départ,
à savoir l'origine des ions négatifs.
Ils peuvent provenir, soit de la dissociation par
le champ électrique du nématique ou d'impuretés,
soit de l'émission d'électrons par la cathode par effet
Schottky ou même par effet de champ (fixation des
électrons sur les molécules neutres et formation d'ions
négatifs).
Heilmeier conclut que l'effet majeur provient de la
dissociation de nématique. Les arguments présentés
en faveur de cette hypothèse sont
:
- le courant varie conformément à la loi en exp
MV%/~T où a est une constante convenable et V la
tension appliquée,
- le courant augmente quand l'écartement entre
électrodes augmente.
Nous avons effectivement constaté que ceci était
exact dans la plupart des cas. Cependant, quelques
observations contribuent
à rendre cette explication
incomplète.
Il n'y a pratiquement aucune corrélation entre la
valeur du courant traversant le dispositif et l'intensité
de la lumière diffusée. La figure
5 montre que, bien
que le courant varie dans un rapport de 10 ou même
de 100, la courbe de diffusion ne subit que des modi-
fications mineures.
Si l'on fait varier la température, le courant aug-
mente conformément
à la loi en exp v%/~T alors que
la diffusion a plutôt tendance
à diminuer (Fig. 6).
Nous reviendrons plus loin sur le comportement de
la diffusion en fonction de la température.
1.
/1
FIG. 6. - Influence de la température.
Si l'on change la nature de l'électrode, le courant
est considérablement modifié mais sans répercussion
sur la diffusion. La figure
7 montre les courbes rela-
20-
15.
FIG. 7. - Electrodes Au-Au, épaisseur 10 u.
1
CONTRASTE
-15
FIG. 5. - --- Contraste = f (v).
------ Courant J = f (v).
1
/
l'
,'
I
. .
Al cathode.
- - - - -
Al cathode.

C4- 112
G. ASSOULINE, E. LEIBA
tives à une cellule à électrodes différentes. Les courbes
de contraste sont décalées dans l'échelle des tensions
par suite des potentiels de contact différents. Si l'on
tient compte de ce décalage, les deux courbes sont à
peu près superposables.
Bien que le courant varie dans le même sens que le
travail de sortie, il n'est pas possible de trouver une
relation entre l'intensité
1 et le potentiel de sortie di de
la cathode. Il est certain toutefois, que l'effet Schottky
existe et qu'il est parfois prédominant.
Or, cet effet
peut donner directement des ions négatifs, par fixation
des électrons sur les molécules neutres, alors que
l'hypothèse de la dissociation moléculaire, qui donne
des ions positifs et négatifs en quantité égale, demande
une hypothèse supplémentaire pour éliminer une
catégorie d'ions.
Une dernière constatation enfin : le courant ne
varie pas toujours en exp
v%/~T mais suit souvent
une loi moins simple.
En conclusion, on peut penser que les ions respon-
sables de l'effet optique ne constituent qu'une faible
partie du courant total mesuré, puisqu'il n'y a aucun
lien entre la valeur du courant et l'effet optique.
Si on se limite
à l'étude du courant, les ions négatifs
peuvent provenir de l'un des deux mécanismes, effet
Schottky et dissociation moléculaire, sans que l'on
puisse conclure.
Dans un effort pour mieux saisir l'origine de ces
ions, nous avons étudié plus attentivement le seuil de
la courbe de diffusion.
IV. Etude du seuil et interprétation du phénomène.
- L'effet de diffusion débuta toujours à la même
tension,
5,5 volts environ, quel que soit l'écartement
des électrodes entre
6 et 100 p, valeurs extrêmes
essayées (Fjg.
8).
f CONTRASTE
La figure 9 montre que ce seuil est indépendant de
la nature des électrodes.
1
CONTRASTE
FIG. 9. - Courbes de contraste, influence de la nature
des électrodes.
Lorsqu'on utilise des électrodes différentes, le seuil
varie légèrement
à cause de la différence de potentiel
de contact
; si on en tient compte, le seuil reste le
même.
Le seuil n'est pas fonction
de l'état de surface de
l'électrode
: des cellules avec des électrodes en verre
ordinaire ou en verre poli optiquement donnent la
même tension de démarrage.
Par contre, lorsqu'on opère en impulsions, le seuil
varie en fonction de la durée de l'impulsion de tension
appliquée. La figure 10 montre que la tension de seuil
augmente lorsque l'impulsion de tension devient plus
courte.
Le fait que le seuil, qu'il soit en champ ou en ten-
sion, dépende du temps pendant lequel l'action élec-
FIG. 8. - Courbes de contraste, influence de l'épaisseur
FIG. 10. - Variation de la tension de seuil en fonction de
de la cellule. la largeur
T de l'impulsion de tension, épaisseur 12 p.