スメクティックA液晶のパターン形成とその微小球レーザへの応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13875063
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 内藤 裕義 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90172254)
• キーワード: スメクティックA液晶微小球 / パターン形成 / 電界効果 / 自発曲率 / FDTD法 / Whispering Gallery Mode / 顕微蛍光 / 微小球レーザ

研究概要

試料には、スメクティックA相を呈するoctyloxycyanobiphenylと長鎖アルキルアルコールおよび、ローダミン6G等のレーザ色素を用いた。この混合物をガラス基板で挟み込むことにより試料を作製した。試料を温度安定性の優れた温度可変試料ステージに固定し、高画素ディジタルカメラを取り付けた偏光顕微鏡により形態観察を行った。試料中に半径50μm程度の小球を等方相から徐冷することにより成長させた。これに1KHzの交番電界を印加すると小球は分裂し、径の小さな球(微小球)へと変化した。電界強度を上げるに従い、より小さな径の微小球へと変化する様子が観察された。すなわち、電界を0.7V/μmから1.5V/μmに増加させると微小球の半径は12μmから4μmへと変化した。電界印加時の液晶微小球の安定性は、等方相-液晶相間のギブスの自由エネルギー差、等方相と液晶相の界面エネルギー、液晶微小球の曲率弾性エネルギー、液晶分子の誘電率異方性に起因する液晶微小球の誘電エネルギーを考慮することにより議論することができる。電界印加時に自発曲率が微小球全体に一様に誘起されると仮定すると、実験結果を説明することができた。なお、自発曲率の起源は電界印加により液晶分子が分極し、液晶ドメイン中に分極電荷が生じることに起因している。このことから電界印加により液晶微小球サイズを制御でき、波長可変微小球レーザとしての機能が期待できる。
スメクティックA相等の異方性媒質微小球における光波伝播をFDTD(Finite Difference Time Domain)法により解析し、異方性媒質微小球であってもWbispering Gallery Modeが立つことを示した。光学顕微鏡、温度ステージ、窒素レーザ励起色素レーザ、分光系からなる蛍光顕微分光装置を構築し、外部電界を印加することによりサイズ制御したスメクティックA微小球においてWhispering Gallery Modeを見出した。これらの知見はスメクティックA微小球レーザ実現への端緒を拓くものである。

研究成果

• [文献書誌] M.Todorokihara, H.Naito: "Observation of Defects in a Smectic-A Phase in an Isotropic Phase"Molecular Crystals and Liquid Crystals. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] M.Todorokihara, K.Fujihara, H.Naito: "Helical Tubular Filaments of a Smectic-A Phase in an Isotropic Phase"Molecular Crystals and Liquid Crystals. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] 杉村明彦, 内藤裕義: "有機分子素子工学の現状と新展開-液晶界面現象-"電気学会論文誌A. 121-A. 594-597 (2001)
• [文献書誌] 轟原正義, 藤原興起, 内藤裕義: "等方相中に成長したチューブ状スメクティックAフィラメントの観察と理論的考察"電気材料技術雑誌. 10. 64-70 (2001)
• [文献書誌] K.Seiko, M.Todorokihara, M.Yamada, H.Naito: "Electric Field-Induced Director Orientation of Smectic-A Domains in an Isotropic Phase"Molecular Crystals and Liquid Crystals. 366. 865-870 (2001)
• [文献書誌] M.Todorokihara, K.Seike, H.Naito, Z.Ou-Yang: "Pattern Formation of Two-Dimensional Smectic-A Filaments"Molecular Crystals and Liquid Crystals. 364. 403-410 (2001)