Thèse Année : 2024

Using liquid crystal phase textures for various optical applications

Exploitation des textures de phases cristal-liquides pour diverses applications optiques

Résumé

Liquid crystals have been used for their electro-optical properties since the 1970s, both in LCD screens and for less widespread applications such as smart glass. The glass industry is particularly interested in the latter. The technology currently on the market uses a polymer matrix in which droplets of liquid crystal in the nematic phase are dispersed. Under the effect of an electrical voltage, the glass switches from a scattering to a transparent state. However, the transparency of this second state is not optimal, which has prompted the search for other technical solutions. It has recently been shown that the smectic A phase can also be used to design a smart glass prototype: a type of topological defect (focal conic domains) is generated in the smectic A phase and polymerised to be maintained in the nematic phase. Thanks to this step, the sample reversibly changes from a scattering state to a transparent state when a voltage is applied. This system belongs to the family of PSLCs (Polymer Stabilised Liquid Crystals). In this thesis, we optimised the polymerisation parameters (monomer concentration, photoinitiator, UV light intensity) to maximise the contrast between the transparent and scattering states. The relationship between the electro-optical properties and the microstructure of the samples was also studied. The principle was then extended to another liquid crystal phase that is formally very close to the smectic A phase: the twist-bend nematic (NTB) phase. This phase exhibits a wide variety of topological defects, enabling us not only to show that the NTB phase can also be used for smart glass applications, but also to develop an electrically tunable diffraction grating. For the latter application, the ‘rope-like texture' of the NTB phase was polymerised to be maintained in the nematic phase, which is known to align reversibly along the electric field. We then revisited the smectic A phase, which has already been extensively studied, but whose properties have not yet been fully investigated. In particular, we sought to make use of the quasi-hexagonal lattice of focal conic domains that is obtained by simple spin-coating deposition. We have shown that this lattice can be used to confine nanoparticles (3 nm - 10 nm). The method works for several types of nanoparticles (gold, quantum dots). An in-depth study of the aggregation state of nanoparticles and their location in the liquid crystal matrix was carried out. Two populations of nanoparticles were identified: micrometre-sized aggregates floating on the surface of the liquid crystal and localised on the defects, and nanoparticles adsorbed on the substrate. An evolution in the distribution of adsorbed particles was observed over long periods: a honeycomb lattice appeared in a few months. Finally, the optical properties of the two types of defects observed in the smectic A phase under hybrid anchoring conditions were studied: focal conic domains (which appear in samples thicker than 1.5 µm) and ‘linear defects' (observed in samples thinner than 1.5 µm). The focal conic domains scatter light and give the sample a hazy appearance, while the linear defects diffract visible light, giving the sample a structural colour. We have shown that the scattering properties of the focal conics are enhanced the thicker the liquid crystal layer, and that the linear defects behave as a diffraction grating. The structure of these two types of defects was studied using optical microscopy. A model based on Dupin's cyclides was proposed for focal conic domains. The structure of linear defects has not yet been fully elucidated.
Les cristaux liquides sont utilisés pour leurs propriétés électro-optiques depuis les années 1970, que ce soit dans les écrans LCDs ou pour des applications moins répandues telles que le vitrage actif. L'industrie verrière s'intéresse particulièrement à cette dernière. La technologie actuellement commercialisée exploite une matrice polymère dans laquelle sont dispersées des gouttelettes de cristal liquide en phase nématique. Sous l'effet d'une tension électrique, le vitrage passe d'un état diffusant à transparent. Cependant, la transparence de ce second état n'est pas optimale, ce qui a motivé la recherche d'autres solutions techniques. Il a été montré récemment que la phase smectique A pouvait également être utilisée pour concevoir un prototype de vitrage actif : un type de défauts topologiques (coniques focales) est généré en phase smectique A et polymérisé pour être maintenu en phase nématique. Grâce à cette étape, l'échantillon passe réversiblement d'un état diffusant à un état transparent lorsqu'une tension est appliquée. Ce système appartient à la famille des PSLCs (Polymer Stabilised Liquid Crystals). Dans cette thèse, nous avons optimisé les paramètres de polymérisation (concentration en monomère, photoinitiateur, puissance UV) pour maximiser le contraste entre l'état transparent et l'état diffusant. La relation entre les propriétés électro-optiques et la microstructure des échantillons a aussi été étudiée. Le principe a ensuite été étendu à une autre phase cristal liquide, très proche formellement de la phase smectique A : la phase nématique twist-bend (NTB). Cette phase présente une grande diversité de défauts topologiques, ce qui nous a permis de non seulement montrer qu'il était possible d'utiliser la phase NTB pour le vitrage actif mais également de développer un réseau de diffraction commandable électriquement. Pour cette dernière application, la « rope-like texture » de la phase NTB a été polymérisée afin d'être maintenue en phase nématique, laquelle est connue pour s'aligner réversiblement sur le champ électrique. Nous sommes ensuite revenus à la phase smectique A qui, bien que déjà très étudiée, présente encore des propriétés peu exploitées. Nous avons cherché à exploiter le réseau quasi-hexagonal de coniques focales obtenu par simple dépôt par spin-coating. Nous avons montré que ce réseau peut être utilisé pour confiner des nanoparticules (3 nm - 10 nm). La méthode fonctionne pour plusieurs types de nanoparticules (or, quantum dots). Une étude approfondie de l'état d'agrégation des nanoparticules et de leur localisation dans la matrice cristal liquide a été conduite. Deux populations de nanoparticules ont été mises en évidence : des agrégats de dimension micrométrique flottant en surface du cristal liquide et localisés sur les défauts et des nanoparticules adsorbées sur le substrat. Une évolution de la répartition des particules adsorbées a été observée sur des temps longs : un réseau nid d'abeilles apparaît en quelques mois. Enfin, les propriétés optiques des deux types de défauts observés en phase smectique A en conditions d'ancrage hybride ont été étudiées : les coniques focales (qui apparaissent dans les échantillons d'épaisseur supérieure à 1,5 µm) et les « défauts linéaires » (observés dans les échantillons d'épaisseur inférieure à 1,5 µm). Les coniques focales diffusent la lumière et confèrent à l'échantillon un aspect occultant tandis que les défauts linéaires diffractent la lumière, rendant l'échantillon coloré. Nous avons montré d'une part que les propriétés diffusantes des coniques focales sont d'autant plus importantes que la couche de cristal liquide est épaisse et d'autre part que les défauts linéaires se comportent bien comme un réseau de diffraction. La structure de ces deux types de défauts a été étudiée par microscopie optique. Un modèle à partir de cyclides de Dupin a été proposé pour les coniques focales mais la structure des défauts linéaires n'est pas encore complètement élucidée.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04914405 , version 1 (27-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04914405 , version 1

Citer

Camille Mahyaoui. Exploitation des textures de phases cristal-liquides pour diverses applications optiques. Matière Molle [cond-mat.soft]. Université Paris-Saclay, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPASP118⟩. ⟨tel-04914405⟩
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