手性離子摻雜的液晶光柵研究

張蒙蒙

摘要：將負(fù)性液晶和手性離子液體按照一定的比例均勻混合后灌入雙面垂面排列的液晶盒中，給液晶盒施加頻率為4Hz，電壓有效值最大為15V的交流電以誘導(dǎo)取向，從而使液晶分子形成液晶光柵，隨后施加直流偏置電壓于交流正弦波信號(hào)源上，隨著所施加的偏置電壓有效值逐漸增大，液晶光柵周期逐漸減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)直流偏置電壓的幅值逐漸增加的時(shí)候，液晶光柵周期逐漸的減小。希望該文能夠?qū)ξ磥?lái)光柵周期的調(diào)整提供一個(gè)方向。

關(guān)鍵詞：液晶光柵;手性離子液體;光柵周期;偏置電壓

中圖分類號(hào)：TP3 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）17-0193-02

液晶由于既具備液體的流動(dòng)性又具備晶體的各向異性其作為一種特殊的材料在顯示行業(yè)被廣泛地應(yīng)用。基于液晶的可控光柵因其優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)（例如易于制造和操作）而備受關(guān)注?？烧{(diào)光柵在顯示器、傳感器和可調(diào)激光器上面具有很大的發(fā)展?jié)摿1-6]，液晶光柵有分辨率高、體積小、衍射特性改變方便、偏振特性電壓可調(diào)、功耗小、工作電壓低等優(yōu)點(diǎn)，在濾波器、光纖通信、三維視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、空間光通信、圖形處理、光譜測(cè)量等方面具有廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)隨著聚合物高分子新材料的問(wèn)世和液晶研究方面取得的進(jìn)展出現(xiàn)了液晶/聚合物光柵（PDLC），用相分離方法制備的PDLC體系中的電控原理是通過(guò)某種物理的或者化學(xué)的方法使向列相液晶以微米尺寸的液滴均勻分散在高分子聚合物中，國(guó)內(nèi)液晶/聚合物光柵的制造水平比較先進(jìn)，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的馬驥、任洪文等人分別利用光固化相分離法、光刻法、全息法等[7-9]制備PDLC光柵，一級(jí)衍射光的衍射效率可達(dá)到百分之40以上，聚合物分散液晶器件的制作簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換速度快、不需要偏振片但是所需要的驅(qū)動(dòng)電壓高，為了降低驅(qū)動(dòng)電壓出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定液晶技術(shù)（PNSLC），可以顯著的改善液晶的性能而且還可以用來(lái)制作各種新型的液晶光學(xué)器件。最早在中國(guó)應(yīng)用的是2005年的宋靜等人[10]，液晶光柵是通過(guò)光掩膜法控制液晶中聚合物的分布而制備的，并且增強(qiáng)了光柵技術(shù)的應(yīng)用，研究和開(kāi)發(fā)推廣。本文所研究的基于手性離子摻雜的電控液晶光柵制備方法簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電壓低并且液晶光柵周期連續(xù)可調(diào)，不需要特殊的液晶盒基板電極處理和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，在未來(lái)可調(diào)光柵領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1-丁基-3甲基咪唑-L乳酸鹽 ?上海成捷化學(xué)有限公司。

負(fù)性液晶BHR21100-200，熔點(diǎn)Tm<-40.0℃，清亮點(diǎn)Tn=74℃，黏度（20.0℃）Vs= 13.0mm2.S-1，介電各向異性參數(shù)（25℃，1.0KHz）Δε= -0.53北京八億時(shí)空液晶股份有限公司。

1.2 樣品的制備

將手性離子液體摻雜到負(fù)性液晶BHR21100-200中得到膽甾型液晶，其配比為BHR21100-200：CIL=99/1（%）。

在配制好的樣品中加入磁力轉(zhuǎn)子，放在磁力攪拌器中攪拌兩個(gè)小時(shí)，攪拌時(shí)候的溫度設(shè)置在液晶的清亮點(diǎn)以上，待樣品均勻混合之后，利用毛細(xì)吸管的虹吸現(xiàn)象將樣品灌入厚度為（9.0±0.1）μm的雙面垂面排列的液晶盒中待用。

1.3 實(shí)驗(yàn)基本裝置

將灌好樣品的液晶盒放在偏光顯微鏡的載物臺(tái)上，液晶盒的外部驅(qū)動(dòng)電壓由信號(hào)發(fā)生器提供，由于信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓幅值有限，所以在信號(hào)發(fā)生器和液晶盒之間使用高壓放大器來(lái)達(dá)到所需要的電壓幅值，使用偏光顯微鏡與電腦相連接的CCD記錄并保存圖像，基本裝置如圖1所示。

2 外加電壓液晶分子結(jié)構(gòu)重取向模型

液晶指向矢是整個(gè)體積內(nèi)液晶分子指向的平均方向，液晶分子的指向矢與位置有關(guān)，液晶分子指向矢在電場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)在一方面表明了電場(chǎng)能夠改變液晶分子指向矢的方向，外加的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)使得液晶有沿著外場(chǎng)取向或者垂直于外場(chǎng)取向的趨勢(shì)，其規(guī)律在于滿足自由能最小的狀態(tài)，在本次試驗(yàn)中，給液晶盒施加頻率為4Hz的正弦交流電壓，電場(chǎng)改變了液晶分子指向矢的方向，液晶分子的排列因受到電場(chǎng)力而發(fā)生了改變，當(dāng)施加的電壓有效值達(dá)到15V的時(shí)候，液晶分子的螺旋軸平躺在基板上，如圖2（a）所示，保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變，給液晶盒施加一個(gè)直流偏置電壓，隨著所施加的直流偏置電壓幅度的增加，指向矢與基板之間的角度逐漸地增大，直至液晶分子螺旋軸與基板方向成90°。

圖2（a）為加電之后，閾值電壓的時(shí)候螺旋軸平躺在基板上面;（b）→（i）在電場(chǎng)的作用下，液晶分子螺旋軸的方向發(fā)生改變，分子螺旋軸與基板之間所成的角度逐漸增大;（j）液晶分子的螺旋軸完全垂直于基板，與基板之間的角度為90°。

3 結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流偏置電壓的幅值逐漸地增加的時(shí)候，液晶光柵周期在逐漸地變窄，并且光柵之間的間隔也在逐漸的變小，這與我們預(yù)期的猜想是一致的，直到圖3（f）光柵完全消失不見(jiàn)，從圖中可以看出，當(dāng)直流偏置電壓幅值從0mv增加到150mv的時(shí)候，液晶光柵周期從13.41μm減小到了11.52μm。

圖3的箭頭代表液晶分子的初始指向矢n0，（a）→（f）對(duì)應(yīng)了圖2（a）→（j）的過(guò)程，在上圖中，我們可以看到光柵周期明顯的減小，這是由于液晶的電控雙折射效應(yīng)，使得液晶分子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生指向矢角度的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的角度與外加電場(chǎng)的強(qiáng)度之間存在著一定的線性關(guān)系。

光柵周期隨偏置電壓幅值變化的折線圖見(jiàn)圖4，從圖4我們可以看出隨著幅值的增加，液晶光柵周期逐漸的減小，這與我們的理論猜想和圖3是相對(duì)應(yīng)的。

4 應(yīng)用以及今后的研究

在負(fù)性液晶里面摻雜手性離子可以制備出光柵周期可調(diào)的液晶電控光柵，光柵周期的大小可以根據(jù)所施加的直流偏置電壓的幅值來(lái)調(diào)節(jié)，所需要的直流偏置電壓的驅(qū)動(dòng)是非常的小的，便于調(diào)節(jié)，并且手性離子液體作為綠色溶劑，是可以反復(fù)的回收利用的，有利于推動(dòng)綠色化學(xué)的發(fā)展，本文的研究希望對(duì)未來(lái)器件的設(shè)計(jì)，光柵周期的調(diào)整提供一定的方向。

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