Laboratoire de Physique des Systèmes Complexes
- Docteur en Sciences des Matériaux
2008 - maintenant
Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des propriétés diélectriques et optiques d'un nouveau cristal liquide ferroélectrique (FCL) 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, aprè s 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 FCL. 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 ont été mis en évidence.
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 coté, et de l’intensité de l’ancrage en surface, de l’autre. En vieillissant sous champ les molécules instables du FCL 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 diélectrique du FCL, sans que nous soyons capable 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.
Mots clés: Cristaux liquides, ferroélectrique, confinement, ancrage fort, ancrage faible, hystérésis, disinclinaison, ligne de déchiralisation, ions, champ de dépolarisation.
