2.1 液晶的相结构与分类

众所周知，物质有固体、液体和气体三种基本状态，而固体又可以分为晶体和非晶体。在晶体中分子具有取向有序性和位置有序性，即所谓的长程有序。虽然晶体中的分子在平衡位置会发生少许振动，也就是热运动，但是分子的热运动远小于构成物质的分子间的相互作用力，宏观看来晶体处于取向有序的排列状态。在晶体上施加压力时，晶体中的所有分子协同反应表现为弹性形变。当晶态固体被加热到熔点时，一般会转变成各向同性的液体。各向同性的液体不具有分子排列的长程有序，也就是说，分子既没有取向有序性也没有位置有序性。液体中每个分子的影响力仅在几个分子距离，超过这个距离时影响力将消失。液体状态受外部压力时，分子自由移动，宏观上表现为流动。

但是自然界中某些特殊的物质在温度升高的过程中，并不直接从晶态固体转变成各向同性的液体，而是在晶态固体和液体两种状态之间取一种中间态。如果此中间态具有取向有序性，而没有位置有序性时称为液晶。当然液晶中的分子以与液体大致相同的方式自由运动，它们的取向有序性也不像晶态固体中那么严格，只是分子沿着某个取向自由运动的概率比其他方向大一些。也就是说，液晶不同于一般的物质，它兼具固体和液体的特性，既像液体一样具有流动性，又像晶态固体那样具有各向异性的物理性质。

根据形成液晶相的外部物理条件不同，液晶通常分为溶致液晶和热致液晶。如果液晶相的转变是由溶剂浓度变化引起，则这种液晶称为溶致液晶，如果液晶相的转变与温度有关，则称为热致液晶。日常生活中的肥皂水是一种典型的溶致液晶，而显示器所用的液晶都是热致液晶，本书中提到的液晶都是指热致液晶。

根据组成分子或分子团的结构不同，热致液晶又可以分为长棒状分子液晶和盘状分子液晶。长棒状分子液晶是目前最广泛应用的液晶材料。根据分子排列结构的不同，长棒状分子液晶可分成三种类型：向列相、胆甾相和近晶相。

2.1.1 向列相（Nematic）液晶

向列相液晶是最简单的液晶相。如图2.1.1（a）所示，向列相液晶中的每个分子呈细长的结构，可简化为如图2.1.1（b）和2.1.1（c）所示的长棒形状。向列相液晶具有长程取向有序性，但是没有位置有序性，也就是说关于“每个分子具体在哪里”的位置自由度方面是无序的，但是关于“每个分子沿哪个方向排列”的取向自由度方面是有序的。

图2.1.2表示某一瞬间拍摄的液晶分子的排列状态，其中图（a）表示无秩序状态的各向同性相，图（b）表示取向有序、但位置无序的向列相。为了描述液晶分子排列的取向有序性，定义如图（b）所示的分子排列从优方向的单位矢量为此处液晶的指向矢。

实际上向列相液晶中的每个分子因热运动，不停地运动和旋转，因此即使指向矢相同，液晶分子排列的程度也会有所不同。但是平均各瞬间的指向矢方向，则液晶分子的排列倾向于某一方向。为了定量地描述液晶分子排列的取向性，引进取向序参数S。

其中，θ表示指向矢与各液晶分子长轴间的夹角，如图2.1.3所示。尖括号表示统计平均。根据这个定义，对于完全无序的分子排列系统，如（2.1.2）式计算得出，因此S等于0，而对于完全有序的分子排列系统〈cos2θ〉=1，因此S等于1。显然液晶相的S介于0和1之间，一般液晶的典型序参数值为0.3～0.9。

对于给定的材料，序参数S还是温度的函数，温度越高，序参数S越小，图2.1.4是取向序参数S随温度的变化图。各向同性状态时液晶分子如图2.1.2（a）所示处于无秩序状态，序参数S等于0。温度下降到物质固有的相转移温度Tc以下时，分子间相互作用大于热运动，序参数不为零。温度继续下降时序参数逐渐变大，接近于1。

随着取向序参数变大，向列相液晶逐渐表现出各向异性。最明显的特征是与指向矢平行方向和垂直方向的介电常数ε（折射率n）不同，而且随着序参数增大，水平方向与垂直方向的介电常数差Δε（折射率差Δn）也变大。也就是说，介电常数差Δε（折射率Δn）随温度发生变化，这种现象导致所有液晶显示器具有温度依赖性。

2.1.2 胆甾相（Cholesteric）液晶

如图2.1.5所示，胆甾相液晶的特点是指向矢在空间围绕着一个垂直于指向矢的轴（螺旋轴）旋转，而且在垂直于螺旋轴的任意平面内分子长轴的指向是一致的。指向矢的旋转可以是右旋也可以是左旋，这取决于液晶分子的结构。当指向矢在空间旋转2π角度时沿螺旋轴移动的距离叫做螺距P。胆甾相液晶也可以在一般的向列相液晶中添加一些手征性分子而形成，故也称为手征性（Chiral）向列相液晶。

由于指向矢的螺旋状排列，胆甾相液晶具有独特的光学性质。假定胆甾相液晶的螺距为P，入射光的波长为λ，液晶的平均折射率为n，而且光在液晶中传播时其偏振状态与相速度不发生变化，那么当P远大于λ/n时，透射光是沿着螺旋轴旋转的线偏振光，TN液晶模式就是应用了这个原理；当P近似于λ/n时，透射光是电矢量旋转方向相反的两个圆偏振光。根据布拉格反射原理，胆甾相液晶中发生选择反射的现象，电矢量旋转方向和螺旋轴旋转方向相同的圆偏振光发生反射，而另外一个圆偏振光照常通过；当P远小于λ/n时，透射光也是旋转方向相反的两个圆偏振光，但这种情况下两个圆偏振光以不同的相速度传播，不发生选择反射。

2.1.3 近晶相（Smetic）液晶

近晶相液晶的特点是分子的质量中心排列成层状结构。在垂直于层的法线方向，分子具有位置有序性，而在每一层中分子具有取向有序性，所以它比向列相液晶更有序。对于给定的液晶材料，近晶相往往出现在比向列相更低的温度区间。根据分子相对于层面的取向方式不同，存在多种不同类型的近晶相液晶。如图2.1.6所示，液晶指向矢和层秩序方向z平行时称为近晶A相，它的分子在每一层中倾向于垂直层面排列，而分子的位置在层中不具有位置有序性。当温度从近晶A相降低时，一般可能出现如图2.1.7所示的近晶C相，它在每一层中与近晶A相相同，分子不具有位置有序性，但是液晶分子的指向矢不再垂直于层平面，而是与层法线方向成一定角度θ。

类似胆甾相液晶，近晶相液晶中添加手征性分子时，液晶分子的指向矢不仅与层的法线形成一定角度，而且围绕着层的法线成圆锥旋转结构，如图2.1.8所示。这种结构称为近晶C*相（SmC*）或手征性近晶C相。指向矢在圆锥上旋转一圈时沿着层法线方向所通过的距离定义为螺距P。当近晶C*相的螺旋结构被解开，得到如图2.1.7所示的近晶C相结构时，产生宏观的自发极化现象，液晶呈现铁电性质（Ferroelectricity）。利用近晶C*相的这种自发极化特性，可以通过电学方法控制液晶指向矢的分布，从而使液晶分子的响应速度明显加快，达到数十至数百微秒，可应用于要求高速响应的LCD中。

图2.1.9是长棒状分子组成的物质的相结构随温度的变化示意图。温度在熔点Tm以下时为各向异性的固体，而温度在清亮点Tc以上时为各向同性的液体。

2.1.4 盘状（Discotic）液晶

除了上述长棒状结构的液晶分子，沿一个轴的尺度远小于其他两个轴的盘状分子也具有液晶态的性质。这种液晶是由印度科学家Chandrasekhar在1977年发现的，分子结构和模型如图2.1.10所示。根据分子排列的方式不同，可分为两种不同类型的盘状分子液晶：向列相盘状液晶与柱状相盘状液晶。

向列相盘状液晶类似于长棒状分子的向列相液晶，区别是在向列相盘状液晶中液晶分子的短轴为从优取向方向，所以指向矢是沿分子短轴的平均取向方向。在这种结构中液晶分子没有位置有序性。由于这种液晶的指向矢垂直于分子平面，所以通常是光学负性的，即ne＜no。与长棒状分子液晶不同，柱状相盘状液晶的分子如铜钱般一个个重叠堆积形成柱状结构。

图2.1.11是盘状分子组成的物质的相结构随温度的变化图。温度在熔点Tm以下时为各向异性的固体，而温度在清亮点Tc以上时为各向同性的液体。