Polarimétrie

Deux montages optiques furent utilisés afin d’évaluer de façon plus sensible le degré d’alignement des cristaux liquides placés entre les couches d’alignement préparées.

Rotation dans le plan Le montage illustré à la figure 3.9 fut utilisé afin d’observer l’ali- gnement planaire des cellules. La source utilisée est un laser hélium-néon (HeNe), émettant à une longueur d’onde de 632,8 nm, dont la puissance à la sortie est de 2,1 mW. Un cube polariseur (polarising beam splitter, PBS ; 400-700 nm) est utilisé comme polariseur afin de sélectionner une seule composante de polarisation, et un filtre polarisant linéaire est utilisé comme analyseur, son axe de transmission étant placé à 90° de la polarisation incidente. Le détecteur utilisé est une photodiode au silicium (FDS100 de Thorlabs), dont la tension de sortie est lue grâce à un oscilloscope de modèle TDS 1002 B, de la compagnie Tektronix, afin de mesurer la puissance finale du faisceau, ici désignée comme l’intensité_I.

Figure 3.9 –Montage pour l’évaluation de l’alignement planaire

Il est ainsi possible de détecter toute variation de la polarisation du faisceau causée par son passage dans l’échantillon. L’échantillon étant placé sur une monture graduée tournant dans le plan X-Y, il est possible de faire varier l’angle entre un axe de référence dans le plan de la cellule et l’axe de la polarisation incidente, permettant ainsi d’évaluer une possible différence d’indice de réfraction entre les axes latéraux de l’échantillon (voir section 2.3). Les mesures sont prises à des intervalles de 15°, de 0° à 345°, la position 0° étant attribuée à un angle pour lequel l’axe long de la cellule est proche de la verticale et où la lumières transmise est minimale, afin de faciliter la comparaison entre les courbes. Il est à noter que le faisceau

3.4Analyses 42

a été volontairement élargi pour couvrir une zone d’environ 2 mm de rayon, afin d’obtenir une lecture moyenne représentative de l’échantillon. Un exemple de courbe idéale, réalisé en utilisant une lame demi-onde plutôt qu’un échantillon, est présenté à la figure 3.10.

Figure 3.10 –Transmission en fonction de l’orientation d’un axe arbitraire (rotation autour de l’axe du faisceau) pour une lame demi-onde

Rotation hors plan L’alignement vertical a été évalué grâce à un montage prêté par l’équipe de recherche de la compagnie TLCL (voir figure 3.11). Ce montage est très semblable à celui utilisé pour évaluer l’alignement planaire, puisqu’on y place la cellule entre deux polariseurs linéaires croisés afin de détecter les variations de polarisation d’un faisceau lumineux causées par son passage dans l’échantillon de cristal liquide. Cependant, l’échantillon est ici tourné dans les plans X-Z (autour de l’axe long de la cellule) ou Y-X (autour de l’axe court) grâce à une monture automatisée (voir figure 3.12), ce qui permet d’évaluer l’inclinaison (pretilt) des molécules dans ces mêmes plans (voir section 2.2.2).

Le faisceau, produit dans ce cas par une diode laser rouge, est détecté grâce à une pho- todiode, dont le signal est enregistré sur ordinateur grâce à une application LabView à raison de 100 mesures par secondes, qui permet de plus de contrôler et d’enregistrer la position angulaire de la monture supportant la cellule. Les mesures ont été prises pour des positions angulaires de -90° à 90° (0° correspondant à une position où le plan de la cellule est perpen- diculaire au faisceau), mais les données ont été retenues seulement pour -60° à 60° puisque au-delà de ces valeurs le parcours du faisceau est entravé par les extrémités de la cellule.

Si le mésogène est aligné de façon parfaitement verticale ou horizontale par rapport à la surface, la courbe d’intensité transmise en fonction de l’inclinaison de la cellule est symé-

3.4Analyses 43

Figure 3.11 –Montage pour l’évaluation de l’alignement vertical

Figure 3.12 –a) Axes de la cellule b) Rotation autour de l’axe long (position verticale) c) Rotation autour de l’axe court (position horizontale)

3.4Analyses 44

trique de part et d’autre de la position_{θ = 0° (où la cellule est perpendiculaire au faisceau),} cependant si l’angle est différent de 0° ou 90° on observe un déplacement de l’axe de symétrie de cette courbe. La position de l’axe de symétrie étant directement reliée à l’inclinaison des molécules, cette analyse permet d’évaluer le pretilt des cellules uniformément alignées [19]. Pour une cellule dont les molécules sont orientées à un angle proche de la normale aux surface, le pretilt est facilement trouvé puisqu’en inclinant la cellule on peut trouver une orientation pour laquelle le faisceau se propage parallèlement à l’axe optique et où la trans- mission à la sortie de l’analyseur devient nulle. Il s’agit donc d’une mesure directe de l’in- clinaison des molécules, après correction pour le changement de trajectoire du faisceau aux interfaces. Cependant, lorsque les molécules sont presque parallèles à la surface, la situation devient compliquée et la détermination du pretilt demande des calculs plus élaborés. La va- leur du pretilt demeure cependant liée à l’inclinaison de la cellule où est observé l’axe de symétrie de la courbe de transmission, le pretilt étant considérablement plus faible que cette inclinaison. Il n’est toutefois pas utile dans le cadre de ce projet de connaître la valeur absolue du pretilt, la possibilité de créer une inclinaison et, le cas échéant, la reproductibilité de cette inclinaison étant les données recherchées. C’est donc la valeur de l’inclinaison de la cellule correspondant à l’axe de symétrie de la courbe de transmission qui a été retenue pour analyser le pretilt des cellules.

Chapitre 4

Alignement à l’aide de nanocomposites

magnétiques

Tel que vu à la section 2.2.2, les cristaux liquides peuvent être orientés grâce à un champ magnétique, il est donc possible d’utiliser cette approche dans le but de contrôler la configura- tion des mésogènes à l’intérieur d’une cellule. La force magnétique peut de plus être utilisée afin d’orienter les domaines magnétiques de matériaux ferromagnétiques dans une direction commune. Ces moments magnétiques étant permanents, il devrait être possible d’obtenir un champ magnétique net permanent et d’orientation uniforme en fixant l’orientation de ces domaines après leur avoir imposé l’orientation désirée. Enfin, un matériau possédant ces ca- ractéristiques pourrait être utilisé afin d’imposer une alignement uniforme à un cristal liquide adjacent.

Cette stratégie est donc explorée dans cette portion du projet afin de réaliser une couche d’alignement dont les propriétés pourraient être contrôlées sans contact physique. L’objectif est d’incorporer dans une matrice liquide transparente des particules ferromagnétiques dont la taille serait suffisamment petite pour ne pas entraver le passage de la lumière et dont la concentration et la magnétisation seraient suffisantes pour imposer une orientation uniforme au cristal liquide adjacent. Suite au dépôt de la matrice sous forme de couche mince, un champ magnétique est imposé à l’ensemble afin d’orienter uniformément les particules dans la direction choisie, puis la matrice est solidifiée, fixant ainsi l’orientation des domaines ma- gnétiques.

4.1État du sujet 46

4.1

État du sujet

La stratégie envisagée dans cette portion du projet n’a, au meilleur de notre connais- sance, jamais été utilisée par le passé pour concevoir une couche d’alignement. En effet, le magnétisme est utilisé depuis longtemps afin d’orienter les mésogènes, mais très rarement pour induire un alignement permanent par le biais d’une couche d’alignement. Par ailleurs, les nanocomposites magnétiques ont déjà fait l’objet d’autres travaux, mais la production de composites qui soient à la fois magnétiques et transparents est plus récente et présente tou- jours de nombreux défis [20]. La réalisation d’un alignement stable dans un échantillon de cristal liquide grâce au champ magnétique produit par une couche mince et transparente de nanocomposite magnétique est donc une approche originale qui n’a pas encore été exploitée.