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手性离子掺杂的液晶光栅研究

范文

张蒙蒙

摘要：将负性液晶和手性离子液体按照一定的比例均匀混合后灌入双面垂面排列的液晶盒中，给液晶盒施加频率为4Hz，电压有效值最大为15V的交流电以诱导取向，从而使液晶分子形成液晶光栅，随后施加直流偏置电压于交流正弦波信号源上，随着所施加的偏置电压有效值逐渐增大，液晶光栅周期逐渐减小，实验结果表明当直流偏置电压的幅值逐渐增加的时候，液晶光栅周期逐渐的减小。希望该文能够对未来光栅周期的调整提供一个方向。

关键词：液晶光栅;手性离子液体;光栅周期;偏置电压

中图分类号：TP3 ? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）17-0193-02

液晶由于既具备液体的流动性又具备晶体的各向异性其作为一种特殊的材料在显示行业被广泛地应用。基于液晶的可控光栅因其优越的优势（例如易于制造和操作）而备受关注。可调光栅在显示器、传感器和可调激光器上面具有很大的发展潜力[1-6]，液晶光栅有分辨率高、体积小、衍射特性改变方便、偏振特性电压可调、功耗小、工作电压低等优点，在滤波器、光纤通信、三维视觉测量系统、空间光通信、图形处理、光谱测量等方面具有广泛的应用，近年来随着聚合物高分子新材料的问世和液晶研究方面取得的进展出现了液晶/聚合物光栅（PDLC），用相分离方法制备的PDLC体系中的电控原理是通过某种物理的或者化学的方法使向列相液晶以微米尺寸的液滴均匀分散在高分子聚合物中，国内液晶/聚合物光栅的制造水平比较先进，长春光学精密机械与物理研究所的马骥、任洪文等人分别利用光固化相分离法、光刻法、全息法等[7-9]制备PDLC光栅，一级衍射光的衍射效率可达到百分之40以上，聚合物分散液晶器件的制作简单、转换速度快、不需要偏振片但是所需要的驱动电压高，为了降低驱动电压出现了网络稳定液晶技术（PNSLC），可以显著的改善液晶的性能而且还可以用来制作各种新型的液晶光学器件。最早在中国应用的是2005年的宋静等人[10]，液晶光栅是通过光掩膜法控制液晶中聚合物的分布而制备的，并且增强了光栅技术的应用，研究和开发推广。本文所研究的基于手性离子掺杂的电控液晶光栅制备方法简单，驱动电压低并且液晶光栅周期连续可调，不需要特殊的液晶盒基板电极处理和复杂的驱动电路设计，在未来可调光栅领域具有潜在的应用价值。

1 实验

1.1 实验材料

1-丁基-3甲基咪唑-L乳酸盐 ?上海成捷化学有限公司。

负性液晶BHR21100-200，熔点Tm<-40.0℃，清亮点Tn=74℃，黏度（20.0℃）Vs= 13.0mm2.S-1，介电各向异性参数（25℃，1.0KHz）Δε= -0.53北京八亿时空液晶股份有限公司。

1.2 样品的制备

将手性离子液体掺杂到负性液晶BHR21100-200中得到胆甾型液晶，其配比为BHR21100-200：CIL=99/1（%）。

在配制好的样品中加入磁力转子，放在磁力搅拌器中搅拌两个小时，搅拌时候的温度设置在液晶的清亮点以上，待样品均匀混合之后，利用毛细吸管的虹吸现象将样品灌入厚度为（9.0±0.1）μm的双面垂面排列的液晶盒中待用。

1.3 实验基本装置

将灌好样品的液晶盒放在偏光显微镜的载物台上，液晶盒的外部驱动电压由信号发生器提供，由于信号发生器产生的电压幅值有限，所以在信号发生器和液晶盒之间使用高压放大器来达到所需要的电压幅值，使用偏光显微镜与电脑相连接的CCD记录并保存图像，基本装置如图1所示。

2 外加电压液晶分子结构重取向模型

液晶指向矢是整个体积内液晶分子指向的平均方向，液晶分子的指向矢与位置有关，液晶分子指向矢在电场中的转动在一方面表明了电场能够改变液晶分子指向矢的方向，外加的电场或者磁场使得液晶有沿着外场取向或者垂直于外场取向的趋势，其规律在于满足自由能最小的状态，在本次试验中，给液晶盒施加频率为4Hz的正弦交流电压，电场改变了液晶分子指向矢的方向，液晶分子的排列因受到电场力而发生了改变，当施加的电压有效值达到15V的时候，液晶分子的螺旋轴平躺在基板上，如图2（a）所示，保持其他实验条件不变，给液晶盒施加一个直流偏置电压，随着所施加的直流偏置电压幅度的增加，指向矢与基板之间的角度逐渐地增大，直至液晶分子螺旋轴与基板方向成90°。

图2（a）为加电之后，阈值电压的时候螺旋轴平躺在基板上面;（b）→（i）在电场的作用下，液晶分子螺旋轴的方向发生改变，分子螺旋轴与基板之间所成的角度逐渐增大;（j）液晶分子的螺旋轴完全垂直于基板，与基板之间的角度为90°。

3 结果与讨论

在实验过程中我们发现，当直流偏置电压的幅值逐渐地增加的时候，液晶光栅周期在逐渐地变窄，并且光栅之间的间隔也在逐渐的变小，这与我们预期的猜想是一致的，直到图3（f）光栅完全消失不见，从图中可以看出，当直流偏置电压幅值从0mv增加到150mv的时候，液晶光栅周期从13.41μm减小到了11.52μm。

图3的箭头代表液晶分子的初始指向矢n0，（a）→（f）對应了图2（a）→（j）的过程，在上图中，我们可以看到光栅周期明显的减小，这是由于液晶的电控双折射效应，使得液晶分子在电场的作用下发生指向矢角度的转变，转变的角度与外加电场的强度之间存在着一定的线性关系。

光栅周期随偏置电压幅值变化的折线图见图4，从图4我们可以看出随着幅值的增加，液晶光栅周期逐渐的减小，这与我们的理论猜想和图3是相对应的。

4 应用以及今后的研究

在负性液晶里面掺杂手性离子可以制备出光栅周期可调的液晶电控光栅，光栅周期的大小可以根据所施加的直流偏置电压的幅值来调节，所需要的直流偏置电压的驱动是非常的小的，便于调节，并且手性离子液体作为绿色溶剂，是可以反复的回收利用的，有利于推动绿色化学的发展，本文的研究希望对未来器件的设计，光栅周期的调整提供一定的方向。

参考文献：

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[6] Sanathanan M ， Maciej B ， Shakil R ， et al. MEMS Tunable Diffraction Grating for Spaceborne Imaging Spectroscopic Applications[J]. Sensors， 2017， 17（10）：2372.

[7] 任洪文，黄锡珉，王宗凯.聚合物分散液晶光栅的衍射特性的研究[J].光学学报，1998，18（5）.

[8] 馬骥，刘永刚，于涛.全息法制备二维电调谐聚合物/液晶光栅[J].液晶与显示，2005，20（2）：115-118.

[9] 马骥，刘永刚，阮圣平.光刻法制备聚合物/液晶光栅[J]. 功能材料与器件学报，2003，9（3）：309-312.

[10] 宋静，马骥，刘永刚.新型聚合物网络稳定液晶光栅的制备[J].液晶与显示，2005，20（2）：119.

【通联编辑：代影】

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