Étude des parois de domaine π dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques composées de paires de défauts de surface demi-entiers

Contexte académique

Les parois de domaine π (π domain walls) dans les matériaux ferroélectriques sont des interfaces qui séparent des régions de polarisation différente. Leur structure est d’un grand intérêt fondamental et possède une importance pratique dans de nombreuses applications. Les cristaux liquides nématiques ferroélectriques (ferroelectric nematic liquid crystals) sont des fluides polaires caractérisés par un ordre d’orientation microscopique et une polarisation spontanée macroscopique. Contrairement aux matériaux ferroélectriques cristallins traditionnels, les cristaux liquides nématiques ferroélectriques possèdent une symétrie de translation continue, ce qui leur confère des propriétés uniques telles qu’un faible champ de pilotage, une réponse optique non linéaire élevée et une topologie polaire. Ces caractéristiques sont non seulement d’un intérêt scientifique, mais aussi potentiellement utiles dans des applications optiques non linéaires et optoélectroniques.

Bien que les parois de domaine π dans les matériaux ferroélectriques solides aient été largement étudiées, leur structure dans les fluides reste mal comprise. En particulier, la structure interne des parois de domaine π dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques et leur comportement dynamique n’ont pas encore été pleinement expliqués. Cette étude vise à révéler la structure topologique des parois de domaine π dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques et leur comportement de commutation de polarisation sous l’effet d’un champ électrique, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour comprendre la structure des parois de domaine dans les fluides polaires et leurs applications.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Shengzhu Yi, Zening Hong, Zhongjie Ma, Chao Zhou, Miao Jiang, Xiang Huang, Mingjun Huang, Satoshi Aya, Rui Zhang et Qi-Huo Wei, et publié le 19 décembre 2024 dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences). Les auteurs sont affiliés à l’Université des sciences et technologies du Sud, à l’Université des sciences et technologies de Hong Kong, à l’Université de technologie de Chine du Sud, entre autres institutions.

Processus de recherche et résultats

1. Conception expérimentale et préparation des échantillons

L’équipe de recherche a d’abord déposé par centrifugation un film de polyimide sur des substrats en verre, puis a induit un alignement uniaxial par frottement mécanique. Ensuite, les substrats traités ont été assemblés en cellules de cristaux liquides, avec une épaisseur contrôlée entre 1 et 10 micromètres. Les cellules ont été remplies de deux matériaux de cristaux liquides nématiques ferroélectriques : RM734 et DIO. Ces matériaux ont subi une transition de phase de l’état isotrope (isotropic phase) à la phase nématique ferroélectrique (ferroelectric nematic phase) lors du refroidissement.

2. Observation et caractérisation des parois de domaine π

À l’aide d’un microscope optique polarisé (polarized optical microscopy), les chercheurs ont observé la formation de structures en bandes alternées de polarisation dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques, les limites entre ces bandes étant les parois de domaine π. Les parois de domaine π sont composées de deux lignes parallèles, une ligne claire et une ligne sombre. En appliquant une légère pression, les chercheurs ont constaté que la distance entre ces deux lignes variait, indiquant que les parois de domaine π sont constituées de deux lignes situées sur deux surfaces différentes.

Des études plus approfondies ont montré que les sous-domaines (subdomains) à l’intérieur des parois de domaine π présentent une torsion π (π twist) de la polarisation, c’est-à-dire que la polarisation subit une torsion gauche ou droite dans la direction de l’épaisseur de la cellule. Cette structure topologique a un impact significatif sur le comportement de commutation de polarisation sous l’effet d’un champ électrique.

3. Structure topologique et comportement dynamique

Grâce à des simulations numériques, les chercheurs ont proposé que les parois de domaine π sont composées de deux lignes de défauts de surface (surface disclinations), séparées horizontalement, formant un sous-domaine avec une torsion π de la polarisation. Cette structure topologique entraîne que la commutation de polarisation sous l’effet d’un champ électrique se déroule en deux étapes : d’abord, les lignes de défauts d’une surface se rapprochent et s’annihilent, formant une région de polarisation tordue ; ensuite, les lignes de défauts de l’autre surface s’annihilent également, alignant finalement la polarisation de toute la région avec la direction du champ électrique.

En outre, les chercheurs ont observé des phénomènes de kinks et d’antikinks (nœuds et anti-nœuds) sur les parois de domaine π. Ces excitations topologiques (topological excitations) se forment sur les parois de domaine π, séparant des sous-domaines de chiralité opposée. Le comportement dynamique des kinks et des antikinks est similaire au processus de retournement de spin dans le modèle d’Ising unidimensionnel.

4. Comparaison des résultats expérimentaux avec le modèle théorique

Les données expérimentales montrent que la largeur des parois de domaine π et la distance entre les deux lignes varient linéairement avec l’épaisseur de la cellule de cristal liquide, ce qui diffère de la loi de Kittel (Kittel’s law) dans les matériaux ferroélectriques solides. Cette déviation peut s’expliquer par la déformation de splay (splay deformation) dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques, qui est pilotée par le couplage flexoélectrique (flexoelectric coupling) lors de la transition de phase ferroélectrique-ferroélastique (ferroelectric-ferroelastic phase transition).

Conclusions et signification

Cette étude révèle la structure topologique des parois de domaine π dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques et leur comportement dynamique sous l’effet d’un champ électrique. Les parois de domaine π sont composées de paires de défauts de surface demi-entiers, formant un sous-domaine avec une torsion π de la polarisation. Cette structure topologique a un impact significatif sur le comportement de commutation de polarisation. Les résultats de cette étude fournissent de nouvelles perspectives pour comprendre la structure des parois de domaine dans les fluides polaires et soutiennent théoriquement l’ingénierie des parois de domaine (domain engineering) dans les applications optiques non linéaires et optoélectroniques des cristaux liquides nématiques ferroélectriques.

Points forts de la recherche

1. Révélation de la structure topologique : Première révélation de la structure topologique des parois de domaine π dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques, composées de paires de défauts de surface demi-entiers.
2. Explication du comportement dynamique : Clarification du mécanisme de commutation de polarisation en deux étapes des parois de domaine π sous l’effet d’un champ électrique.
3. Combinaison d’expériences et de théorie : Validation de la structure topologique des parois de domaine π et de leur comportement dynamique par des observations expérimentales et des simulations numériques.
4. Potentiel d’application : Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles perspectives pour l’ingénierie des parois de domaine dans les applications optiques non linéaires et optoélectroniques des cristaux liquides nématiques ferroélectriques.

Autres informations utiles

Cette étude propose également des orientations pour de futures recherches, notamment l’exploration d’autres types de parois de domaine (comme les parois de domaine demi-π et 2π) et l’étude de la conductivité électrique des parois de domaine sous l’effet d’un champ électrique. Ces recherches approfondiront la compréhension de la structure des parois de domaine dans les cristaux liquides nématiques ferroélectriques et fourniront un soutien théorique pour leur utilisation dans de nouveaux dispositifs optoélectroniques.