Kursplan för Vätskekristaller: fysik och tillämpningar

Kursplan fastställd 2023-02-08 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnLiquid crystals, physics and applications
  • KurskodMCC080
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPNAT
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeTeknisk fysik
  • InstitutionMIKROTEKNOLOGI OCH NANOVETENSKAP
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 18122
  • Max antal deltagare30 (minst 10% av platserna reserveras för utbytesstudenter)
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0107 Tentamen 7,5 hp
Betygsskala: TH		 7,5 hp
  • 28 Maj 2024 fm J
  • 06 Okt 2023 em J
  • 21 Aug 2024 fm J

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Grundläggande kurser/kunskaper i optik, termodynamik, fasta tillståndets fysik

Syfte

Kursen skall ge en omfattande introduktion till vätskekristallers fysik och tillämpningar. Dessutom är den ämnad att ge en översikt av "state-of-the-art" inom området, både inom forskning och displayindustri. Kursen ger också träning i experimentellt arbete, där experimenten är designade och utförda av studenterna själva för att finna svaren på givna frågeställningar. Genom ett stort antal exempel och demonstrationer under lektioner och laborationstillfällen vill vi stimulera studenterna att se kopplingar till andra kurser och vetenskapliga områden. Kursen ger en bra plattform för fortsatta fördjupade studier av vätskekristallina system men vi hoppas också att kursdeltagarna kommer att ha betydande nytta av de erhållna färdigheterna och kunskaperna även för framtida arbete inom andra discipliner.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

- beskriva strukturerna, symmetrierna, och typ av ordning hos de vanligaste vätskekristallina faserna
- förstå de grundläggande elektriska, elastiska och optiska egenskaperna hos vätskekristallina material.
- förklara strukturen och funktionen hos vätskekristallbildskärmar (LCDs) och andra tillämpningar
- experimentellt identifiera de viktigaste vätskekristallina faserna
- utföra enklare optiska och elektrooptiska mätningar/studier av vätskekristallers egenskaper.
- beskriva de huvudsakliga tillverkningsstegen i LCD-tillverkning

- diskutera frågeställningar och problem relaterade till vätskekristaller och deras tillämpningar och föreslå lösningar/dra relevanta slutsatser genom att kombinera kunskaper inom optik, symmetrilära, termodynamik, elektromagnetism, kondenserade materiens och andra relevanta vetenskapliga områden.

Innehåll

Det är allmänt känt att materia kan existera i tre olika tillstånd: fast, flytande och gasform. Men detta är en förenkling och under extrema förhållanden kan andra tillstånd existera, t.ex. plasma vid mycket höga temperaturer eller supraflytande helium vid mycket låga temperaturer. Men vi behöver inte gå till dessa extrema förhållanden för att hitta nya former av ordning i materia. I vätskekristaller, vilka är anisotropa vätskor, kan den molekylära ordningen sägas ligga mellan den hos isotropa vätskor och den hos kristaller, och klassificeringen av vätskekristaller baseras på deras grad av orienterings- och positionsordning. Ur ett grundvetenskapligt perspektiv är dessa material av stort intresse och har bidragit till den moderna förståelsen av fasövergångar och kritiska fenomen, samt till kunskaper om ordningsfenomen i en, två och tre dimensioner.

För de flesta är vätskekristaller idag nästan synonymt med platta bildskärmar (LCDs) för TV, datorer, mobiltelefoner och annan elektronisk utrustning. Men det pågår också en snabb utveckling av andra typer av tillämpningar inom telekommunikation och fotonik, samt nya typer av funktionella, responsiva materia, t.ex. vätskekristallina elastomerer. Vätskekristallina strukturer används t.ex. framgångsrikt som templates inom syntes för avancerade porösa material och vätskekristaller har också föreslagits som matriser för positionering och linjering av nanopartiklar och nanostavar, för nya typer av komposit- och metamaterial.

Vätskekristaller utgör en unik form av mjuk material. Existensen av liv är direkt beroende av självorganiserad mjuk materia och här spelar vätskekristallina system en mycket viktig roll. Ett exempel är alla cellmembran som består av så kallade lyotropa vätskekristaller. Ett annat är och DNA som formerar vätskekristallina system under vissa förhållanden. Kanske har den extremt långa DNA-molekylen sitt ursprung i självorganisering och vätskekristallformation av små molekyler. 
 
Kursen ger en grundläggande förståelse av fysiken och de vanligaste tillämpningarna av vätskekristaller. Innehållet sträcker sig från de första observationerna av vätskekristaller under sent 1800-tal, via utvecklingen av teorier rörande det vätskekristallina tillståndet och utvecklingen av tillämpningar - speciellt bildskärmar - till dagens forskning inom området. Efter decennier av stort fokus på utveckling av bildskärmar riktar sig nu alltmer forskning om vätskekristalllina system mot nanovetenskap, biologiska system, och på tillämpningssidan mot fotonik och mikrovågssystem.

Kursen betonar och illustrerar hur kunskaper inom optik, termodynamik, elektromagnetism, vektoranalys, symmetrilära, etc., utgör grunden för den enorma och fortfarande pågående utvecklingen av bildskärmar och andra apparater som vi använder varje dag. Dessutom ger kursen genom lab-projekt och demonstrationer en introduktion till tillverkning av vätskekristalldisplayer.
1. Fysikaliska egenskaper hos vätskekristaller och grundläggande teori; faser och fasövergångar; anisotropa material; symmetriaspekter; optik; elektrooptik hos vätskekristaller; ferro- och antiferroelektriska vätskekristaller; exempel på vätskekristaller inom nanovetenskap, fotonik och mikrovågselektronik, översikt av forskningsfronten inom området.
2. Tillämpningar av vätskekristaller LCDs, dagens och framtidens bildskärmar, demonstrationer, tillverkningsteknik för LCDs, icke-display-applikationer, termokroma system, kevlar.

Organisation

Cirka 15 föreläsningar vilka också definierar kursinnehållet
Lab-projekt inom individuellt valda områden, laborations-övningar och demonstrationer, renrumsprocesser
inlämningsuppgifter

Litteratur

Föreläsningsanteckingar,
S.T.Lagerwall, P.G.Rudquist, D.S.Hermann: "Liquid crystals", in Encyclopedia of optical Engineering, Marcel Dekker Inc. 2003)
Collings&Hird: Introduction to Liquid Crystals, Taylor&Francis 1997 (Rekommenderas);


Även delar av:
J. Prost, P.G. de Gennes: The physics of liquid crystals, Oxford 1993; S.Chandrasekhar: Liquid Crystals, Cambridge 1976, second edition 1992; E.B. Priestley, P. Wojtowicz, P.Sheng: Introduction to Liquid Crystals, Plenum, NY 1975;
D.Demus et al. (editors) Handbook of Liquid Crystals, Volume 1-3, Wiley VCH, 1998; S.T.Lagerwall: Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals, Wiley VCH 1999.

Examination inklusive obligatoriska moment

Lab-projekt, inlämningsuppgifter, skriftlig tentamen, viktat enligt följande i betygsättningen:

Skriftlig tentamen 70%
Lab-projekt 15%
Hemuppgifter 15%




Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.