液晶分子介电各向异性解析

从前面章节可知，液晶的分子结构是非对称的，这种结构导致液晶材料的分子具有各向异性的特点。液晶相是由大量的液晶分子构成的，以向列型液晶分子为例，由于分子指向的长程有序性、分子位置的随机性以及分子围绕长轴旋转的任意性，使得大量分子组成的液晶相沿轴向的性质与沿垂直于轴向的性质大为不同。理论上，常把液晶分子看成长圆柱分子正是这个道理。液晶宏观的物理量，如介电常数、弹性模量和折射率等均表现出以指向矢为对称轴的各向异性。

向列型液晶是光电子技术和显示上应用最为广泛的液晶。这里就向列型液晶的介电各向异性和折射率各向异性作一个简单的介绍，首先液晶的介电各向异性和折射率各向异性的性质可以从向列型液晶的各向异性性质导出。

设与向列型液晶指向矢平行的方向为z轴方向，其介电张量的矩阵可表达为以下形式：(www.xing528.com)

式中，ε／／、ε⊥分别为平行于和垂直于指向矢的介电常数。通常用Δε来定义液晶材料介电各向异性的大小，其数值关系为：Δε＝ε／／－ε⊥，Δε的符号和大小决定了液晶对外场的响应情况。一般情况下，Δε＜0的液晶称为负性液晶，可以记作Nn型液晶，其中N代表Nematic（向列型），n代表Negative（负性的），Nn型液晶与外电场构成的系统的能量最小状态为液晶的指向与外电场相垂直，所以，电场将驱动液晶分子使之与外场垂直；相反，Δε＞0的液晶为正性液晶，记作Np，液晶分子的指向轴与外场平行时为体系的能量最小状态，称为Np型（Positive）液晶。Np型液晶的能量最小状态为液晶分子的指向矢与外场平行，因而外电场会驱动液晶分子，使之与外电场平行。

其实，液晶除了能被电场驱动外还能被磁场驱动。由于早期液晶材料的电阻率低，所以多用磁场研究其特性。但是随着近半个世纪的研究，现在的液晶电阻率非常高，而且在应用中，电场操控液晶比磁场操控液晶方便容易得多，所以在光电子方面的实际应用中，基本上都采用电场来驱动液晶。