90_扭曲向列型液晶的电_光开关特性_杨桂娟
特殊液晶光学材料——扭曲-弯曲向列相液晶及应用
第３５卷㊀第７期２０２０年７月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a ys ㊀㊀㊀㊀㊀V o l ．３５㊀N o ．７㊀J u l ．２０２０㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０４Ｇ０３;修订日期:２０２０Ｇ０５Ｇ０８．㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(N o ．６１８２２５０４,N o ．６１７０５０６７,N o ．５１８７３０６０,N o ．６１５７５０６３)S u p p o r t e db y Na t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (N o ．６１８２２５０４,N o ．６１７０５０６７,N o ．５１８７３０６０,N o ．６１５７５０６３)㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :x q w a n g ＠e c u s t ．e d u ．c n ,z g z h e n g＠e c u s t ．e d u ．c n 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２０)０７Ｇ０６４５Ｇ１７特殊液晶光学材料 扭曲Ｇ弯曲向列相液晶及应用余丽红,刘炳辉,沈㊀冬,王骁乾∗,郑致刚∗(华东理工大学物理系,上海２００２３７)摘要:扭曲Ｇ弯曲向列相是一种手性向列相,具有纳米级螺距的倾斜螺旋结构.由于其负弯曲弹性常数㊁纳米级螺距以及非手性分子形成手性结构等性质,引起了世界各地科研工作者的广泛关注.本文回顾了扭曲Ｇ弯曲向列相研究的发展历程,重点介绍了对扭曲Ｇ弯曲向列相的特征㊁性能㊁分子运动㊁分子基团的研究,阐述了扭曲Ｇ弯曲向列相在外场作用下微观结构的变化以及对扭曲Ｇ弯曲向列相的理论及模拟研究的发展现状,并探讨了扭曲Ｇ弯曲向列相液晶的应用前景和发展趋势.本文从材料的特性㊁性能㊁应用等方面对扭曲Ｇ弯曲向列相液晶进行综述,旨在让广大读者对这种特殊液晶光学材料的相关研究有比较全面的了解,以此激发读者对扭曲Ｇ弯曲向列相液晶材料在相态结构㊁理论模拟乃至应用领域等方面更多的研究灵感.希望本文能够起到抛砖引玉的作用,从一定程度上对该领域的研究发展有所促进.关㊀键㊀词:液晶;扭曲Ｇ弯曲向列相;C B ７C B ;分子基团中图分类号:O ７５３＋．２㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/Y J Y X S ２０２０３５０７．０６４５S p e c i a l l i q u i d c r y s t a l o pt i c a lm a t e r i a l s T w i s t Ｇb e n dn e m a t i c p h a s e l i q u i d c r y s t a l s a n d t h e a p pl i c a t i o n s Y U L i Ｇh o n g ,L I U B i n g Ｇh u i ,S H E N D o n g ,WA N G X i a o Ｇq i a n ∗,Z H E N GZ h i Ｇg a n g∗(C o l l e g e o f P h y s i c s ,E a s t o f C h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,S h a n gh a i ２００２３７,C h i n a )A b s t r a c t :T w i s t Ｇb e n d n e m a t i c p h a s e i s a c h i r a l n e m a t i c p h a s ew i t h a n i n c l i n e d s pi r a l s t r u c t u r e p o s s e s s Ｇi n g n a n o m e t e rh e l i c a l p i t c h ．D u et oi t sn e g a t i v eb e n de l a s t i cc o n s t a n t ,n a n o Ｇs c a l e p i t c h ,a n dc h i r a l s t r u c t u r e f o r m e db y a c h i r a lm o l e c u l e s ,i t h a s a t t r a c t e dw i d e s pr e a d a t t e n t i o n f r o mr e s e a r c h e r s a l l o v e r t h ew o r l d ．T h i s a r t i c l e r e v i e w s t h ed e v e l o p m e n t o f t w i s t Ｇb e n dn e m a t i c s ,f o c u s e so nt h es t u d y o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s ,p r o p e r t i e s ,m o l e c u l a rm o t i o n ,a n d m o l e c u l a r g r o u p so f t w i s t Ｇb e n dn e m a t i c s ,a n d i l Ｇl u s t r a t e s t h e e f f e c t s o f t w i s t Ｇb e n dn e m a t i c s u n d e r e x t e r n a l f i e l d s ．T h em i c r o s t r u c t u r e c h a n ge s a n d t h e d e v e l o p m e n t of t h e o r e t i c a l a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho n t w i s t Ｇb e n dn e m a t i c p h a s e ,a n d t h e a p pl i c a t i o n p r o s p e c t s a n dd e v e l o p m e n t t r e n d s o f t w i s t Ｇb e n dn e m a t i c l i q u i dc r ys t a l a r ed i s c u s s e d ．T h ea i m o f t h i s a r t i c l e i s t o p r o v i d e r e a d e r sw i t ha c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n g o f t h e r e l a t e d r e s e a r c ho f t h e s pe c i a l l i q u i dc r y s t a lo p t i c a l m a t e r i a l st h r o u g h t h e r e v i e w o ft h e m a t e r i a l s c h a r a c t e r i s t i c s ,p r o pe r t i e s ,a p p l i c a t i o n s a n d o t h e r a s p e c t s o f t w i s tＧb e n d n e m a t ic l i q u id c r y s t a l s,a n d t h u s s t i m u l a te t h e r e a d e r s̓r eＧs e a r c h i n s p i r a t i o no n t h e i r p h a s e s t r u c t u r e,t h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n,a p p l i c a t i o n s,e t c．I t i sh o p e d t h a t t h i s p a p e r c a n s t a r t ad i s c u s s i o na n d p r o m o t e t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t of t h i s f i e l d t os o m ee xＧt e n t．K e y w o r d s:l i q u i d c r y s t a l;t w i s tＧb e n dn e m a t i c p h a s e;C B７C B;m o l e c u l a r g r o u p１㊀引㊀㊀言扭曲Ｇ弯曲向列相(T w i s tＧb e n d n e m a t i c,N t b)是近十年来发现的一种由弯曲形分子构成的新型向列相,具有纳米级螺距的螺旋结构.１９７３年, M e y e r根据极性分子之间的相互作用会引起弯曲变形,预测N t b相的存在[１].２００１年,D o z o v预测弯曲分子堆积成弯曲结构,这种自发弯曲伴随着局部指向矢的扭曲或展曲变形,可能形成弯曲弹性常数K３３为负值的扭曲Ｇ弯曲相或展曲Ｇ弯曲相[２].直到２０１１年,C e s t a r i等人确定了C B７C B 表现出的低温向列相为N t b相,证实了N t b相的存在[３].N t b相的指向矢与螺旋轴保持恒定的倾斜角,呈现斜螺旋结构,并经历扭曲和弯曲变化.扭曲Ｇ弯曲向列相与倾斜螺旋胆甾相有３点不同:第一,N t b相的扭弯结构在一定温度范围内是热稳定的;第二,N t b相分子不具有手性,但具有弯曲变形的倾向;第三,由于N t b相分子不能绕长轴自由旋转,所以N t b相的螺距一般为１０n m,远远小于胆甾相液晶的超分子螺距.扭曲Ｇ弯曲向列相液晶的最新发现无论在基础理论上还是在其创新应用潜力方面都引起了科学界的极大兴趣.进一步探索这个新发现的向列相或者确认哪些二聚体表现出N t b相等成为目前科研人员对扭曲Ｇ弯曲向列相研究的重点.本文综述了当前对N t b相液晶材料的相关研究,并对其应用前景和发展趋势进行了简要探讨.２㊀基于C B n C B液晶体系的实验研究C B７C B的低温向列相中N t b相的存在,激发了液晶领域科研人员研究N t b相液晶材料的兴趣.C B７C B是由两个氰基基团组成,７个亚甲基的烷基链连接的对称液晶二聚体,其化学结构如图１所示.由于N t b相最初发现于C B７C B的低温向列相,因此近些年来大多数研究是基于C B n CB图１㊀C B７C B的化学结构F i g．１㊀C h e m i c a l s t r u c t u r e o fC B７C B体系进行的.２．１㊀对N t b相液晶的特征研究C e s t a r i等人在２０１１年发表的文章中主要研究对C B７C B低温液晶相的识别,通过液晶相的标准技术和理论计算证实了N t b相的存在.研究表明N t b相液晶具有非常小的正介电各向异性,通过施加较大的电场可以从近似平面的织构转换为垂直织构.N t b相也可以在其他通过足够弯曲的几何形状相连的两个介晶基团组成且具有负弯曲弹性常数的液晶中观察到.在２０１５年,M e y e r等人通过对C B７C B的向列相和扭曲Ｇ弯曲向列相进行双折射测量,证实了其螺旋倾角的温度依赖性[４].实验研究发现,双折射率在扭曲Ｇ弯曲向列相中的变化是平滑可逆的.根据Δn的温度依赖性,在C B７C B的向列相和扭曲Ｇ弯曲向列相中分别测量Δn,可以确定螺旋锥形扭弯结构的倾斜角θT B(T).除了研究螺旋倾角,科研人员也对取向序参数进行了相关研究.J o k i s a a r i通过１２９X e和２H核磁共振光谱研究C B７C B的取向序参数和锥角(倾斜角θT B)对温度的依赖性[５].利用核磁共振氢谱,研究人员在C B７C B中加入５C BＧd２研究N t b 相和NＧN t b(N e m a t i c p h a s e t o t w i s tＧb e n d n e m a t i c p h a s e)相变时序参数的变化[６].２０１９年,M a n d l e 等人在P C C P上报道了利用广角X射线衍射研究C B７C B二聚体㊁O４７(四聚体)和O６７(六聚体)取向序参数的温度依赖性,并重建了取向分布函数[７].对于一些软物质相,分子的取向与密度调制相关,因此可以通过标准X射线衍射显示其结６４６㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀构,但是并不能区分蓝相和向列相.迄今为止,共振X射线散射用来测量分子取向在纳米尺度上的空间变化;该方法主要在溴㊁硒和硫的吸收边缘进行,研究近晶C亚相来确定分子取向诱导的二级结构[８Ｇ１１].近年来,在碳吸收K边缘的共振软X射线已经被用来研究嵌段共聚物中的相分离[１２]㊁太阳能电池的分子取向[１３]和B４相螺旋纳米的形态[１４].２０１６年,使用碳K边缘的共振软X射线对C B７C B的整体螺旋结构进行原位研究[１５].实验结果表明其弹性约束温度依赖最小的螺距,而螺旋散射在向列相中无法探测.随后在２０１７年,研究人员通过对C B７C B在结晶相㊁扭曲Ｇ弯曲向列相以及两相共存的共振软X射线散射的研究(图２),发现N t b相的调制螺旋对于手性材料和非手性材料都是相同数量级[１６].图２㊀C B７C B化合物在结晶相和扭曲Ｇ弯曲向列相以及两相共存温度范围内的二维的共振软X射线模式[１６]F i g．２㊀T w oＧd i m e n s i o n a l r e s o n a n t s o f tXＧr a yp a t t e r n so f t h eC B７C B c o m p o u n d i n t h e c r y s t a l l i n e a n dt h e t w i s tＧb e n dn e m a t i c p h a s e a n d i n t h e t e mＧp e r a t u r e r a n g e o f p h a s e c o e x i s t e n c e[１６]科研人员还对N t b相的其他特征进行了相关研究.２０１７年报道了对C B７C B的弹性和粘性性能的研究,该实验测定了研究最多的奇数亚甲基链二聚体C B７C B的光学㊁介电㊁抗磁㊁弹性和粘性材料的温度特性,C B７C B三个弹性常数均表现出强烈的温度依赖性,在NＧN t b相变附近急剧增加而粘度系数在N相中与这３个常数均相关[１７].实验发现C B７C B是非手性的,但由它形成的扭曲Ｇ弯曲向列相是手性的.在２０２０年, S t e v e n s o n等人利用圆二色性证实了弯曲二聚体的N t b相的宏观手性[１８].为确定产生相位手性的机制,科研人员通过不同的技术手段对其进行研究.通过研究掺杂８C BＧd２的C B７C B的１３CＧ１H 质子增强局部场的核磁共振光谱,证实了它可以形成手性扭曲Ｇ弯曲向列相[１９];采用２H核磁共振对C B７C B的１３CＧ１H剩余偶极耦合进行分析,结果表明扭曲Ｇ弯曲向列相的手性是因为分子平均具有弯曲结构[２０].２．２㊀对N t b相液晶的性能研究２０１３年,在C B７C B中掺入手性剂(S)Ｇ１Ｇ苯基乙醇,通过２H核磁共振研究P(左)㊁M(右)结构域,结果表明R和S对映体的存在促进了纯N t b 相中两个结构域的形成,但不影响它们的相对体积;而掺入手性剂将满足控制域的手性实现N t b 相潜在的电光应用[２１].同一年,D o z o v和M e y e r 等人发表的文章中扩展扭曲Ｇ弯曲向列相的宏观模型来描述其电光行为,进行E C E(E l e c t r o c l i n i c e f f e c t)测量,实验证明了E C E存在于弯曲分子构成的扭曲Ｇ弯曲向列相中,且其螺距小于１０n m,图３㊀在扭曲Ｇ弯曲向列相中C B７C B样品表面形态的原子力显微图像.(a)焦锥缺陷阵列;(b)周期为８n m线系统的小焦锥缺陷[２３].F i g．３㊀A t o m i c f o r c em i c r o s c o p y i m a g e so f t h es u r f a c em o r p h o l o g y o f C B７C B s a m p l e s i n t h eN t b p h a s e．(a)A r r a y s o f f o c a l c o n i c d e f e c t s;(b)S m a l l f o c a lc o n i cdef e c t s c o v e r e dw i t h a s y s t e mo f l i n e sw i t h８n m p e r i o d i c i t y[２３]．有希望在扭曲Ｇ弯曲向列相中实现快速响应[２２].在２０１５年,G o r e c k a等人通过在室温下使用原子力显微镜研究C B７C B的自由表面,如图３所示.焦锥缺陷的形成可以证明扭曲Ｇ弯曲向列相存在短波长空间调制结构[２３].２０１６年,为了进一步了解N t b相的分子结构和NＧN t b相转变的性质,利用X射线衍射光谱和拉曼光谱进行测量,在C B７C B的向列相和扭曲Ｇ弯曲向列相中测量了取向序参数的温度依赖性,并且测量了NＧN t b相转变时序参数的变化,两种光谱测得的‹P２›(P２＝７４６第７期㊀㊀㊀㊀余丽红,等:特殊液晶光学材料 扭曲Ｇ弯曲向列相液晶及应用１２‹３c o s２θ－１›)相同,但是拉曼光谱测得的‹P４(c o sβ)›比X射线大,这两个序参数在向列相中随温度下降而增加,在NＧN t b相转变过程中下降,转变为扭曲Ｇ弯曲向列相后继续下降[２４].液晶由于双折射高,易被外场调谐,因此在衍射光栅方面得到了广泛的研究.聚合物分散液晶的光聚合被认为是制备衍射效率可控的光栅的一种简便手段.２０１７年报道了一种由弯曲型向列相液晶中的挠性电畴构成的可调谐光学光栅[２５].弯曲形分子的特定形状赋予了其独特的物理性质.由N t b相的螺旋结构而形成的调制结构,在NＧN t b相变温度附近范围内,螺旋锥角迅速变化.在２０１８年,V a u p o t i㊅c等人利用C B７C B进行X射线衍射测量液晶盒内光轴的三维空间变化㊁检验偏振光的温度依赖性,证明在N t b相液晶中自组装产生的调制结构可以作为偏振光栅,将线偏振光转化为圆偏振衍射光,反之亦然[２６].从光学角度看,N t b相表现出的自发周期模式没有被完全理解,很多研究人员使用纳米螺距来确定N t b相.加电调谐使垂直向列相转变为垂直的扭曲Ｇ弯曲向列相最显著的特征就是环曲面焦锥畴(T o r i c f o c a l c o n i c d o m a i n s,T F C D s)的不稳定性.T F C D s不稳定并且会逐渐转变为抛物焦锥畴(P a r a b o l i c f o c a l c o n i cd o m a i n s,P F C D s)或双螺旋(D o u b l eh e l i x,D H)结构.一些早期的电场实验与N t b相的不稳定性相关,在外场诱导下,扭曲Ｇ弯曲向列相的条纹结构会发生变化.２０１８年,报道的一篇关于平行与垂直扭曲平面的电场效应,表明各向同性N t b相排列的第二种失稳模式是通过旋转焦锥畴实现的[２７].同年,实验通过研究C B７C B与７O C B以１ʒ１混合,观察扭曲Ｇ弯曲向列相中的单螺旋(S i n g l eh e l i x,S H)和双螺旋(D H)缺陷[２８].２０１９年,报道了对C B７C B与７O C B混合物的介电常数㊁弹性常数㊁电容电压曲线等进行的研究[２９],其介电各向异性在扭曲Ｇ弯曲向列相中明显减弱.但是二聚体的弯曲形状和由共价键驱动的刚性弯曲核分子不同,二聚体是由构象驱动的.降低实验温度不仅使７O C B的末端链刚性增大,成为更好的棒状;而且使C B７C B 的中间链刚性增强,使其具有更好的弯曲形状.研究人员已经研究了具有正介电各向异性和负介电各向异性的纯二聚体液晶的介电性能[３０Ｇ３１].介电谱测量材料的介电特性,是一种研究液晶结构的构象分布和变化的好方法.构象的变化和总体分布是决定相态行为和物理性质的一种重要特征.这是基于分子构象的变化会改变均方偶极矩的原理,即对于介晶单元具有末端极性基团的二聚体液晶,分子形状或取向的改变会导致偶极矩方向大小的变化,这种改变又反过来影响介电各向异性.T r b o j e v i c研究了C B７C B与５C B混合物的相关性能,包括高温液晶５C B对混合物的相变温度㊁N t b相稳定性和二聚液晶介电性能的影响.随着５C B浓度的增加,混合物的相变温度线性下降,而向列相温宽随之增加;当５C B 浓度增加到３０％(质量分数)以上时,无法得到可测量的NＧN t b相转变焓[３２].挠曲电光效应由于其潜在应用和理论兴趣而成为广泛研究的科学课题.２０１７年对C B７C B和M L CＧ２０４８的U L H C L C(U n i f o r m l y i n g h e l i x c h o l e s t e r i c l i q u i d c r y s t a l)纹理进行了研究[３３].图４图４㊀基于C B７C B和M L CＧ２０４８的聚合物稳定U L H C L C样品的挠曲电光性能.(a)螺旋轴面内旋转与施加电场的函数关系;(b)透过率Ｇ电压曲线[３３].F i g．４㊀F l e x o e l e c t r oＧo p t i c p e r f o r m a n c eo fC B７C Ba n dM L CＧ２０４８b a s e d p o l y m e r s t a b i l i z e d U L HC L C s a m p l e s．(a)A ni nＧp l a n e r o t a t i o n o fh e l i c a l a x i sa saf u n c t i o no fa p p l i e de l e c t r i cf i e l d;(b)T r a n s m i s s i o nＧv o l t ag e c u r v e[３３]．８４６㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀为C B７C B和M L CＧ２０４８的聚合物稳定U L H C L C样品的挠曲电光性能,由M L C２０４８组成的聚合物稳定U L H C L C样品的挠曲弹性系数为０ ０９３C/N/m,而由C B７C B组成的样品的挠曲弹性系数为３．６７C/N/m,C B７C B的挠曲弹性比是M L CＧ２０４８的４０倍.C B７C B的巨大挠曲电性能证明了这种液晶二聚体在超快开关㊁挠曲电光㊁光子和光电子器件中的应用潜力.例如用于量子计算的主动延迟器㊁新一代彩色场序和３D液晶显示器.郑致刚等人在C B n C B体系中掺杂了M L CＧ２０７９㊁手性剂R５０１１和单体R M２５７,在整个可见光区域表现出热可调且可逆的选择性反射[３４].实验发现增加弯曲核三聚体的浓度,可以观察到C L C体系的手性逐渐增强,所得C L C混合物各向同性转变温度随三聚体浓度增加而升高.其宽广的温度范围和反射波长可调谐性可应用于比色温度传感器和热像仪.２．３㊀对N t b相液晶分子的动力学研究２０１２年,通过复介电常数和静热容测量,分析C B７C B形成的扭曲Ｇ弯曲向列相的分子取向动力学,实验研究表明C B７C B的N t b中间相的玻璃化行为非常显著,随着材料的玻璃化转变温度的增加,两种分子运动(进动模式和触发模式)在低温下具有强烈的协同作用[３５].２０１６年报道了对非对称液晶二聚体的分子动力学的研究,通过在C B７C B中掺入F F O９O C B(F F O９O C B可以增强扭曲Ｇ弯曲向列相的稳定性),测量其介电常数,使用H a v n l i a kＧN e g a m i函数拟合弛豫模式,实验研究表明在含有适当分子偶极子的非对称元素的混合物中,光谱表现出３个弛豫过程,与非对称组分的光谱相似[３６].２０１９年,M e r k e l等人通过研究直流场叠加在弱交流探测场上的C B９C B和C B１１C B的介电响应,从而研究该材料的N t b相中的分子取向动力学[３７].另外,在理论模拟方面,２０１８年,首次报道了对C B n C B液晶二聚体体系进行分子动力学模拟[３８],利用从模拟中提取的位置和取向相关函数来阐明低温向列相的结构.２．４㊀对C B７C B同系物的研究对于C B７C B的同系物,只是中间连接的碳链数目不同,主要研究的是C B９C B与C B１１C B,分子结构式如图５所示.图５㊀C B９C B和C B１１C B的化学结构F i g．５㊀C h e m i c a l s t r u c t u r e s o fC B９C Ba n dC B１１C B T r i p a t h i等人证明了C B７C B㊁C B９C B存在两个向列相,但并没有给出N t b相的性质[３９].２０１５年报道了通过研究C B９C B的两个向列相特征,将低温向列相识别为N t b相[３０].实验不仅研究了C B９C B的介电㊁量热和２H核磁共振,还证明了对于C B９C B而言,足够高的冷却速度可以阻止结晶,使N t b相变成N t b相的玻璃态.电子顺磁共振自旋探针技术适合于检测定向序对于局部指向的差异以及以指向矢序参数为特征的局部域分布,是估算恒定倾斜角度的独立方法.近几年利用电子顺磁共振自旋探针针技术对C B７C B的同系物进行研究.２０１６年,报道了采用电子顺磁共振自旋探针技术对C B１１C B进行研究,C S L自旋探针溶解在C B１１C B液晶的向列相中的电子顺磁共振谱证实了较高温度的单轴向列相和较低温度向列相的存在[４０].通过建立一个固定倾斜(F i x e dt i l t,F T)模型和一个分布式倾斜(D i s t r i b u t e d t i l t,D T)模型来计算扭曲Ｇ弯曲向列相的电子顺磁共振谱,结果表明在N t b相中局部指向矢的倾斜角不是固定的,而是存在一个相对狭窄的倾斜角分布.２０１８年,研究人员采用电子顺磁共振自旋探针技术对奇对称C B９C B扭曲Ｇ弯曲向列相进行研究[４１].溶解在C B９C B液晶中的C S L自旋探针的电子顺磁共振谱证实了单轴向列相的存在,而电子顺磁共振谱显示出一个不均匀的局部定向系统,可以将其建模为一个单畴的几何结构,它相对于磁场是倾斜的,并且在倾斜方向上是定向分布的.在N t b相中,动力学明显减慢;在N t bＧN U(T w i s tＧb e n d n e m a t i c p h a s et o u n i a x i a l n e m a t i c p h a s e)过渡时,倾斜角度接近于零.２．５㊀纳米材料掺杂N t b相液晶纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(０．１~１００n m)或由它们作为基本单元９４６第７期㊀㊀㊀㊀余丽红,等:特殊液晶光学材料 扭曲Ｇ弯曲向列相液晶及应用构成的材料,这大约相当于１０~１００个原子紧密排列在一起的尺度.纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或化学性质.自２０世纪８０年代以来,纳米技术基础理论研究和新材料开发等应用研究都得到了快速的发展,并且在传统材料㊁医疗器材㊁电子设备㊁涂料等行业得到了广泛应用.研究纳米材料与液晶之间的关系成为近几年来的热点.２０１８年,已经证明在由产生N t b 相的软弯曲二聚体组成的二元体系中,依附有大量负载的棒状化合物仍然可以形成扭曲Ｇ弯曲向列相[４２].研究了由软弯曲组分液晶体系的热㊁介电和弹性性质;Z n O 纳米棒能给这些属性带来实质性变化,并由此显示了相关参数的可调能力,实验主要研究了纳米棒的纵横比及其浓度.图６㊀(a )F O T S 和(b )P E G６/９的分子结构;(c )(d )(e )(f )用F O T S ㊁P E G６/９硅烷分子处理A A O 通道后观察的N 相和N t b 相的偏振显微图像[４３].F i g．６㊀(a )M o l e c u l a rs t r u c t u r e so fF O T Sa n d (b )P E G６/９;(c )(d )(e )(f )N p h a s ea n d N t bp h a s eo b s e r v e da f t e rt r e a t i n g A A O ch a n n e l s w i t h F O T S a n d P E G ６/９s i l a n e m o l e c u l e sp o l a r i z a t i o nm i c r o s c o p y i m a ge [４３]．尽管对N t b 相做了很多的研究,但是在纳米尺度上定义N t b 相螺旋锥结构的关键参数还不清楚.所以必须简化或者最小化螺旋结构的复杂性,深入分析相位的固有结构特性.２０１９年,报道了在多孔阳极氧化铝(A n o d i c a l u m i n u mo x i d e ,A A O )膜中产生了纳米约束下的扭曲Ｇ弯曲向列相的受控螺旋锥形结构,实验通过改变多孔阳极氧化铝薄膜内表面的表面能,使用两种自组装单分子层分子对A A O 的内表面进行修饰以控制其表面与液晶分子的相互作用能,该相互作用能的强弱可用液晶与材料表面的接触角来进行定性表征,如图６所示,调节扭曲Ｇ弯曲向列相的结构参数[４３].纳米约束与其他基于外场(电㊁磁场)的方法比较而言,具有更高的结构稳定性.在N t b 相冷却时,介电各向异性迅速降低,因此很难在这些外场下保持固定的取向.除此之外,宏观尺度上也会发生自发的弹性形变,使其在一个方向上很难保持对齐.就此而言,纳米约束是一种更适合控制N t b 相结构的方法.３㊀基于不同分子基团的N t b 相液晶扭曲Ｇ弯曲向列相的形成不局限于C B ７C B 的低温向列相,其他满足条件的弯曲形分子也可以形成扭曲Ｇ弯曲向列相,例如U D ６８[４４]㊁四聚体T ４９[４５]㊁m O．n ．O m [４６Ｇ４７].研究人员不仅对C B n C B体系进行相关研究,也针对N t b 相与不同分子基团之间的相关联系及其应用进行了详细研究.３．１㊀氢键诱导的N t b 相乙醚连接的液晶二聚体被证明具有N t b 相,组装促生非共价结合的分子配合物已成为一种重要的获得新材料的设计方法.２０１５年,J a n s z e 等人首次描述如何使用氢键驱动扭曲Ｇ弯曲向列相的形成,利用X 射线衍射和红外光谱来研究C B ６O B A 和C B O ５O B A [４８].C B ６O B A 是氢键驱动扭曲Ｇ弯曲向列相形成的第一个化合物,也是第一个超分子液晶三聚体来显示N t b 相的化合物,图７为C B ６O B A 的向列相和扭曲Ｇ弯曲向列相的光学织构图.研究人员认为两种化合物的行为可能是由于酸性基团之间形成了环氢键二聚体.实验表明氢键种类的浓度在向列相和扭曲Ｇ弯曲向列相中的温度依赖性是不同的,表明开放氢键单元在稳定扭曲Ｇ弯曲向列相中的螺旋排列方面起着重要作用.因此需要对这些材料进行更详细的温度相关的傅里叶变换红外光谱研究,来研究这种可能性.氢键已成为设计新的扭曲Ｇ弯曲向列相的一０５６㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀图７㊀C B６O B A相同区域的光学织构.(a)N相(１６５ħ);(b)N t b相(１５８ħ)[４８].F i g．７㊀O p t i c a l t e x t u r e o f t h e s a m e a r e a o f C B６O B A．(a)N p h a s e(１６５ħ);(b)N t b p h a s e(１５８ħ)[４８]．种替代方法.由于C B６O B A由两个相同的分子组成,所以体系中没有分子识别元素,因此需要寻找其他氢键化合物来确定诱导扭曲Ｇ弯曲向列相形成的因素.２０１８年,W a l k e r等人通过研究１O B６O Sʒn O B A复合物第一次证明了N t b相可以在含有不同氢键的给体和受体的混合物中被诱导并报告了它们等摩尔配合物的热行为[４９].非手性１O B６O S和n O B A的氢键复合物(如图８所示)表现出N t b相行为,为分子识别如何在缩合相中诱导自发手性提供了例子.研究表明在１O B６O Sʒn O B A复合物中,曲率受氢键受体１O B６O S的形状决定,而氢键并没有推动N t b相形成;在配合物１O B６O Sʒn O B A中,N t b相的诱导与氢键引起的弹性常数等性质的变化有关.２０２０年,研究人员将氢键进行反转,研究了C B６O B Aʒn O S混合物的特征,当n为１~７时,呈现出两种液晶相即N(n e m a t i c)和N t b相;当n 增加后,在冷却N相后观察到一系列的近晶相.他们还发现了C B６O B Aʒ１O B６O S和C B６O B AʒC B６O S超分子三聚体具有N和N t b相,这是第一个氢键结合的三聚体[５０].图８㊀氢键复合物１O B６O Sʒn O B A的分子结构[４９].F i g．８㊀M o l e c u l a rs t r u c t u r eo f t h eh y d r o g e nＧb o n d e dc o m p l e x１O B６O Sʒn O B A[４９]．３．２㊀基于偶氮苯基的N t b相N t b相对外界刺激的响应具有应用潜力,即使大量的N t b相被描述出来,但是对这类液晶材料的结构和性能关系理解仍有发展的空间.偶氮苯被广泛应用于液晶材料中,一部分原因是它具有光致异构的能力.２０１７年,P a t e r s o n等人研究了C B６O A B X和C B O５O A B X[５１].在偶氮苯中,光驱动的构象变化和形状各向异性的变化,在液晶中具有重要意义[５２Ｇ５３].在刚性弯曲核体系中,光活性组分的光致异构改变了弹性常数,为我们提供了研究软弯曲材料中这种效应的动力.２０１８年的一篇报道证明了光刺激对N t b相的影响可以用来制造光学存储器设备[５４],如图９所示.图９㊀存储器装置示意图[５４]F i g．９㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo fm e m o r y d e v i c e[５４]在设计新的弯曲形分子时,利用外部刺激来控制分子形状以控制N t b相和N相及弹性性质.一种实现这一目标的方法是利用偶氮苯化合物光化学驱动的顺反异构.为了探索光致异构对N t bＧN相变的影响,项杰等人利用冷冻断裂透射电镜和X射线衍射技术研究了C B６O A B O B u, C B６O A B O B u显示出N t b相[５５].在紫外光照射下,该材料在偶氮键的光异构化作用下,产生顺式异构体,表现出等温的N t bＧN相跃迁;当顺式异构体浓度较高时,可以观察到NＧI s o(N e m a t i c p h a s e t o I s o t r o p i c p h a s e)相变的经典效应.在分子结合了柔性脂肪桥和偶氮苯分子的材料中,顺式异构体抑制了N t b相,有利于N相形成.C B６O A B O B u的光控形状能否用来控制向列相的弯曲弹性常数及其光的选择性反射并没有得到证明.３．３㊀基于醚键的N t b相２０１４年,科研人员研究了C B E n E C B和C B７C B的核磁共振光谱,单组分酯链二聚体的形状与相应的醚键二聚体相当相似,而且比亚甲基二聚体的形状更为线性[５６].２０１７年,通过对一系列亚甲基和乙醚连接材料(醚键取代第一亚甲基和最后一个亚甲基)的比１５６第７期㊀㊀㊀㊀余丽红,等:特殊液晶光学材料 扭曲Ｇ弯曲向列相液晶及应用较,表明形成N t b相的醚联材料的主要障碍是熔点的大幅增加,这是因为醚键与亚甲基连接导致的线性度的增加[５７].实验表明形成N t b相的一个重要因素是分子弯曲,补充了最近报道的二聚体弯曲角与N t b相热稳定性之间的实验联系.亚甲基与乙醚连接材料之间的过渡性质的变化可以推断是由介晶单元夹角的变化引起的.P a t e r s o n等人在２０１７年证明了C B O５O C B 可以形成一个温宽窄的扭曲Ｇ弯曲向列相[５８]. S e b a s t ián等人报道说一些双醚连接的氟化C B 二聚体能够在宽范围内形成动力学相关的N t b 相[５９].近年来开发了大量的N t b相二聚体或低聚物,其介晶单元或者N t b相间隔物之间的连接原子通常是C,其次是O.２０１９年报道首次以CＧSＧC型二聚体为基础进行研究,研究带有两个硫醚键对称的C B S n S C B和带硫醚键和醚键的不对称C B S n O C B体系(图１０),为基于硫醚连接二聚体弯曲线型的材料研究提供了新的分子设计和结构思路,该体系显示出广泛N t b相冷却到室温和增强玻璃态的形成能力[６０].图１０㊀硫醚连接二聚体C B S n S C B和C B S n O C B的分子结构[６０]F i g．１０㊀M o l e c u l a r s t r u c t u r e so f t h e t h i o e t h e rＧl i n k e dd i me r sC B S n S C Ba n dC B S n O C B[６０]３．４㊀基于柔性间隔的N t b相液晶二聚体的过渡行为强烈依赖于柔性间隔长度和宇称性.为理解增加柔性间隔的长度以及连接该间隔与介晶单元的基团的化学性质会如何影响扭曲Ｇ弯曲向列相的形成,研究人员采用了－(C H２)n O－为柔性间隔,联苯基团为介晶单元,如图１１所示.２０１７年,P a t e r s o n等人研究C B n C B㊁C B n O C B和C B O n O C B体系.实验结果表明推动N t b相形成的主要因素是分子曲率,与广义M a i e rＧS a u p e理论一致,表明T N t bＧN与弯曲角有关[５９].２０１８年,报道了利用调制式差示扫描量热仪和X射线衍射对一系列二氟三苯基二聚体的N t bＧN相变进行研究[６１].调制式差示扫描量热仪结果表明,随着间隔层碳数的增加,N t bＧN相转变的相变热ΔH值显著降低,n＝１１的转变仅为弱一级;同时,NＧI s o相转变的焓和温度随n的增加而增加;延长间隔的主要作用是降低N相的焓,这是由于低的CＧC 扭转角和扭转能量的长间隔需要保持分子在向列相的直线;小角X射线散射和重建的电子密度表明,在N t b相和N相中局部分层,间隔层和末端链在不同的脂肪层中分离;涉及序参数的理论发展取决于介晶基元之间的扭转/弯曲,而不是倾斜角度.除了研究介晶单元的间隔长度,还研究了弯曲核介晶单元的柔化是否对N t b 相整体分子手性产生影响[６２].图１１㊀C B n O C B的分子结构[５９]F i g．１１㊀M o l e c u l a r s t r u c t u r e o fC B n O C B[５９]３．５㊀基于其他基团的N t b相对显示出N t b相的液晶材料的研究,特别是分子结构和N t b相形成之间的关系,可以大致分为间隔的长度和与介晶单元的连接性质,焦点主要集中在介晶单元的结构和末端基团.为了更好地理解液晶二聚体中末端基团的化学性质如何影响N t b相形成,A b b e r l e y等人改变末端基团－C N㊁－OM e和改变非对称二聚体中末端烷氧链的长度,比较这些二聚体的过渡性质和相应非对称二聚体的过渡性质,考虑末端分支的情况[６３].以弯曲角表示的分子曲率是N t b相形成的主要驱动因素,但不能单独解释分子结构与N t b相到N 相变温度的关系,必须考虑其他因素包括空间因素和分子组装成插层排列的能力以及介晶单元的相互作用强度参数.除了末端基团的化学性质会影响扭曲Ｇ弯曲向列相,介晶单元的化学性质也会对扭曲Ｇ弯曲向列相有影响.M a n d l e和G o o d b y 研究了几种化合物表明化合物高宽比的增加是补偿甲基所造成的平均分子弯曲的一种有效方法[６４].在实验研究刚性弯曲核材料中观察到N t b 相,但奇数位的含醚二聚体并没有形成N t b相,在加入少量奇数亚甲基二聚体后可以通过化学诱导形成N t b相[６５],因此对混合物K A(０．２)进行了研２５６㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀。
铁电向列相液晶的光响应能力
第 38 卷第 7 期2023 年 7 月Vol.38 No.7Jul. 2023液晶与显示Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays铁电向列相液晶的光响应能力林卓昂1，项颖1*，李佼洋2，蔡志岗2*，张文慧1，郝禄国1（1.广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006；2.中山大学物理学院，广东广州 510275）摘要：以有机分子RM734为代表的液晶体系是一种具有铁电特性的向列相液晶。
为了探究其光刺激响应能力，本文对该液晶分子进行了紫外-可见吸收光谱测量以及UV光照实验。
结果表明，当处于低温铁电向列相时，液晶分子在357 nm 处有吸收峰，峰值吸光度高达1.74。
光照实验现象说明其在365 nm波段的UV光诱导下进行光降解反应的同时能够发生等温相变，从低温铁电向列相相变为高温传统向列相，这种相变行为是可重复的。
进一步实验结果显示，改变入射线偏振光的偏振方向或者光强大小能够调控相变速度。
具有光响应能力的铁电向列相液晶一定程度上具有可控性，这扩宽了铁电液晶的应用范围，为其光学器件的应用提供了新思路。
关键词：液晶；铁电特性；吸收光谱；等温相变；偏振方向中图分类号：O753+.2 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2023-0018Optical response of ferroelectric nematic liquid crystalsLIN Zhuo-ang1，XIANG Ying1*，LI Jiao-yang2，CAI Zhi-gang2*，ZHANG Wen-hui1，HAO Lu-guo1（1.School of Information Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China；2.School of Physics， Sun Yat-Sen University， Guangzhou 510275， China）Abstract： The liquid crystal system represented by the organic molecule RM734 is a nematic liquid crystal with ferroelectric properties. In order to explore its response to light stimulation， the UV-visible absorption spectrum measurement and UV illumination experiment were carried out on the liquid crystal molecule. The results show that when the liquid crystal molecule is in the low temperature ferroelectric nematic phase，there is an absorption peak at 357 nm， and the peak absorbance is up to 1.74. The experimental phenomenon of illumination shows that it can undergo isothermal phase transformation when conducting photodegradation reaction under the UV light induction of 365 nm wave band， from low temperature ferroelectric nematic phase to high temperature traditional nematic phase， and this phase transformation behavior is repeatable. Further experimental results show that changing the polarization direction or intensity of the incoming polarized light can control the phase transition speed.In general，ferroelectric nematic liquid crystals with optical 文章编号：1007-2780（2023）07-0862-08收稿日期：2023-01-16；修订日期：2023-03-10.基金项目：国家自然科学基金（No.11774070）；广东省自然科学基金（No.2022A1515010777）；广东省科技计划项目（No.2022A0505050072）；广东省重点领域研发计划项目（No.2020B0404030003）Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11774070）； Natural Science Founda‑tion of Guangdong Province （No.2022A1515010777）； Science and Technology Planning Project of Guang‑dong Province （No.2022A0505050072）； Guangdong Provincial Key R&D Programme（No.2020B0404030003）*通信联系人，E-mail：xiangy@； stsczg@第 7 期林卓昂，等：铁电向列相液晶的光响应能力response ability are controllable to a certain extent，which broadens the application range of ferroelectric liquid crystals and provides new ideas for the application of their optical devices.Key words： liquid crystal； ferroelectric properties； absorption spectrum； isothermal transformation； polarization direction1 引言20世纪初，诺贝尔得主Max Born就对向列相液晶中可能存在铁电特性提出了设想［1］。
扭曲型向列相液晶中纳米金属丝的动态行为
扭曲型向列相液晶中纳米金属丝的动态行为谭晓琴;曾明颖;崔伟;吴晨旭【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(051)001【摘要】液晶中的纳米颗粒悬浮体系由于其独特的性质引起了极大的关注.采用保角变换法和等效电容法,对悬浮于扭曲型向列相液晶盒中的磁性纳米金属丝在外加恒定磁场下的动态响应行为进行了研究,并将理论计算结果与实验结果作比较.通过比较发现,理论计算结果与实验结果符合得很好.%Systems of nanoparticles suspended in liquid crystal have raised great, interest because of their unique property and the potential as novel materials. The dynamic behaviors of a nickel nanowire suspended in a twisted nematic liquid crystal cell under constant magnetic field are analyzed, using the methods of equivalent capacitance and conformal mapping. A comparison with experiments shows that our calculation agrees well with the experimental results.【总页数】5页(P12-16)【作者】谭晓琴;曾明颖;崔伟;吴晨旭【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005【正文语种】中文【中图分类】O469【相关文献】1.傅里叶分析法求Stokes矢量测量扭曲向列相液晶盒盒厚和扭曲角 [J], 崔宏青;凌志华2.扭曲向列相液晶显示器中的响应时间 [J], 张海龙;范志新;孙玉宝3.用于反射式直视型和投影型显示器的扭曲向列相液晶盒 [J], 吴诗聪;吴琼圣4.向列相液晶畴壁中挠曲电效应和自发扭曲效应的理论研究 [J], 张晶;周璇;陈思博;刘凯;张志东5.一种新的测量扭曲向列相液晶盒盒厚和扭曲角的Stokes矢量法 [J], 陈冬静;崔宏青;冯亚云;任娇燕;凌志华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
向列型液晶盒的光电响应特性
１ 引 言 作 为信 息 时代 信 息传 递 的媒 介 ， 晶显 示 器 液
件 以低 电压 、 功耗 、 质 、 低 轻 薄型 的特 点 ， 占据 了显
选 择起 偏器 的方 向使 透射 光强 度 最 大 ， 置 放 液 晶盒 和 检偏器 ， 调 节两 者 的角 度 使液 晶盒 在 并 １ ． ６Ｖ 电压 时光 功率 的测 量值 最 小 ．将 电压 从 ２ ５ １ 缓慢 调节 减小 到 ０Ｖ， ２Ｖ 并记 录每 个 电压 对 应
示 领 域 的 主 市场 ．向列 型液 晶有 双 折 射 现 象 ， 类
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】 ～ ２ ５ ０、 ，
一 １２ ： ５
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图 ２ 液 晶 盒 的 Ｐ 曲线 ＿
２ 实验 与分 析
实验 器 材 ： 动 电 源 ， ０ 驱 ８ ０ ｍｍ 光 学 导 轨 ， 二 维可 调半 导 体激 光器 ， 振 器 （ 偏 ２个 ） 向 列 型 、 ， 表
率 陡然从 最小值 变 为最 大值 ； 电压从 ４ ９ 当 ． １Ｖ变 到 ０ ０Ｖ 时 ， 功 率 缓慢 变 化 ， 本 在 １３ ０ ｗ ． 光 基 ５ 左 右 （ 中 Ｅ ， 对 应 的 电压 分 别 为 ５ １ 和 其 。Ｅ ． ２Ｖ
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时 间 变 化 的 电驱 动 信 号 的控 制 下 ， 变 光 强 、 改 相
快速测试液晶器件扭曲角和光延迟的新方法
谱法测 量 时 因液 晶盒 内 多 层 膜 之 间 的 反 射 产 生 Ｆ ｂ ｙＰ ｒｔ 应 ， ａ ｒ－ ｅｏ 效 使得 测 量 精 度 降低 ， 时 光 谱 同
法 操作 复杂 ， 费 高 。我 们 提 出 一 种测 试 液 晶扭 花
曲角 和光延 迟 的新 方 法 ， 是 对 以下 两 种 方 法 的 它
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第 ２卷 ２
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收 稿 日期 ： ０ ７０ － ０ 修 订 日期 ： ０ ７ ０ —８ ２ ０ — ３２ ； ２ ０ — ４ １
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文 章 编 号 ： ０ ７２ ８ （ ０ ７ ０ — ４ ８０ １ ０ —７０ ２ ０ ） ４０２ —５
快速测试液 晶器件扭 曲角和光 延迟 的新方法
黄 霞 。 ，荆 海 ，付 国柱 ，孔 祥 建 。
液晶器件扭曲角与光延迟的光学外差法测试技术理论研究
维普资讯
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第 ２ １卷
位 信息 ， 得到两 路信 号 的相位 差 。 信 号光 的 坐 标 系 以及 相 关 角 度 的 定 义 如 图
２ 轴 平行 于 Ｅ 。 。的振 动方 向 ， Ｙ轴 平行 于 Ｅ 。 。的
光 线 液 晶 向
相 当重要 。
一
图 １ 外差式 测试 系统 示意 图 。光 源采 用塞 是 曼 稳频 的 ＨｅＮｅ 光器 ， 的输 出光 束 中含有 稍 － 激 它 有 差别 的两 个 频 率 叫 。和 叫 ， 分 别 为 左 旋 和 右 ：且 旋 圆偏 振光 。光 线经 １ ４波 片成 为两 束正交 的线 ／ 偏 振光 ， 分束 器 后 分 成参 考 光 和 信号 光 。被 分 经 束器 反射 的部分 即参 考 光 ， 透过 分束 器 的部 分 即 信 号光 。在 每条 光路 中仍然 是双 频 的正交线 偏振 光 。检 偏 器 Ｌ 。 Ｌ ：的作 用 是 分 别 在 每 条 光 Ｐ 和 Ｐ 路 中使 双 频光 的振 动 方 向 一致 而 发 生 干涉 ， 产生
传统方法的缺点 ， 因此 具 有 较 高 的精 度 与抗 干 扰 性 。
关
键
词 ： 晶显 示 ； 数 测 试 ； 曲角 ； 延 迟 ； 学 外 差 法 液 参 扭 光 光
文 献 标 识 码 ：Ａ
中图 分 类 号 ： ＴＮ２ ； Ｎ１ １ ９ ７ Ｔ ４ ．
１ 引
言
２ 扭 曲角 与光延迟 的外差法测试理论
摘
要 ： 光 学 外 差 法 应 用 于 液 晶 器 件 扭 曲 角 与 光 延 迟 的测 试 ，提 出 了测 试 系 统 的 光 路 简 将
快速测试液晶器件扭曲角和光延迟的新方法
快速测试液晶器件扭曲角和光延迟的新方法黄霞;荆海;付国柱;孔祥建【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2007(022)004【摘要】提出了一种测试扭曲角和光延迟的新方法.该方法属于单波长测试法,具有3个特点:利用具有特殊摩擦方向(一个基板平行摩擦,另一基板环形摩擦)的液晶盒(CH-LC)作为偏振转换器件;利用扇形可变光阑和光探测器,一次性测得偏振方向从0到任意角度连续变化的线偏光通过被测液晶盒后的光强和;采用求光强比的方法消除了由于测试中仪器的吸收对光强的影响.扭曲角和光延迟作为拟合参数利用琼斯矩阵推导出的拟合方程用matlab进行曲线拟合求参数得到.实验证明采用该方法测得结果准确,操作简单快速,实验设备经济.【总页数】5页(P428-432)【作者】黄霞;荆海;付国柱;孔祥建【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,北方液晶工程研究开发中心,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,北方液晶工程研究开发中心,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,北方液晶工程研究开发中心,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,北方液晶工程研究开发中心,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039【正文语种】中文【中图分类】TN27【相关文献】1.傅里叶分析法求Stokes矢量测量扭曲向列相液晶盒盒厚和扭曲角 [J], 崔宏青;凌志华2.扭曲向列相液晶在复合消色差延迟器件中的应用 [J], 史萌;吴福全;赵爽;唐恒敬;邓红艳3.一种新的测量扭曲向列相液晶盒盒厚和扭曲角的Stokes矢量法 [J], 陈冬静;崔宏青;冯亚云;任娇燕;凌志华4.液晶器件扭曲角与光延迟的光学外差法测试技术理论研究 [J], 陆云涛;于涛5.用光谱法研究扭曲向列相液晶器件的电光特性 [J], 付雄华;李奕鑫;余敏超;蔡志岗因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
向列型液晶盒表面锚定能量特性之测定研究
向列型液晶盒表面锚定能量特性之测定研究黄素真1徐敏华1林君鸿1蔡嘉豪1游信和21国立联合大学电机工程研究所360 苗栗市恭敬里联大一号TEL: (037) 381-359 E-mail:h2881058@2国立虎尾科技大学光电与材料科技研究所摘要本研究尝试以共光程外差干涉系统来探讨向列型液晶分子倾角锚定能量，主要在于利用外差干涉方式可快速及准确测量液晶盒在不同的外加电压作用下之相位变化，并透过实验中所得的预倾角及厚度带入仿真软件中，藉由仿真软件得到不同电压下之相位关系图与实验值进行比对而得出倾角锚定能。
关键词：共光程外差干涉、倾角锚定能AbstractWe have developed a simple while accurate method to determine the anchoring energy by using a common-path optical heterodyne interferometer arrangement. By measuring the phase retardation of the LC cell versus the applied voltage, the polar anchoring energy of the homogeneously aligned cell can be precisely obtained. Keywords: Heterodyne interferometer, polar anchoring energy.1.前言在液晶显示器中，液晶盒的边界倾角、厚度和锚定能量作用下，会影响液晶显示器的显示特性与质量。
如起始电压(Vth)、光穿透率、对比度等。
然而随着广视角及高电压驱动显示等特性之要求，如IPS、BTN及BiNem等边界表面条件亦越显重要。
因此准确的量测液晶层边界倾角、厚度及液晶分子与表面之自由能，对于液晶显示器之设计及开发而言具有极大的帮助。
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DOI:10.14045/ ki.15-1220.2006.03.007第21卷 第3期内蒙古民族大学学报(自然科学版)Vol.21 No.3 2006年6月Journal of Inner M ongolia U niversity for Nationalities Jun.200690°扭曲向列型液晶的电—光开关特性杨桂娟,康冬梅(大连水产学院理学院,辽宁大连 116023)摘 要:分析90°扭曲向列型液晶的电-光开关特性,将“90°T N—LC”设定为“正常黑”(NB)模式,置于两个透光方向互相平行的偏振片之间.使用函数发生器以100Hz方波的方式加电压于液晶盒的两I TO电极上,将电压值由0逐步增至7V,对NB90°T N-LC进行测量,画出电-光开关特性曲线(I-U曲线),找出开关斜率,临界电压.关键词:扭曲向列型;液晶;分子;偏振中图分类号:O738 文献标识码:A 文章编号:1671-0185(2006)03-0264-04Electro-Optic Valve Properties of90°Twisted Nematic Liquid CrystalYANG Gui-Juan,KANG Dong-Mei(Science Institutes,Dalian Fisheries College,Dalian116023,China)Abstract:We analyzed Electro-Optic valve characteristic of90°tw isted nematic liquid crystal,setting“90°TN-LC”to the“normal black”(NB)pattern,and put in betw een tw o diaphanousdirections mutually parallel polaroid.First,using function producer add the voltage of the100Hzsquare-w ave to tw o ITO electrodes on the liquid crystal box,secondly,increase the voltagevalue gradually from0to7V.thirdly,test NB90°TN-LC,then draw the electro-optic valveproperties curve(the I-U curve),and finally find the valve slope,threshold voltage.Key words:Twisted nematic;Liquid crystal;Molecule;Polarization“液晶显示”对大家来说已不陌生,由于他具有低压微功耗、平板型结构、不眩光、不刺激眼睛、无电磁辐射和X射线等优点,广泛地运用于计数器、电话机、手机、数码相机、天然气表、笔记本电脑等.液晶台式PC监视器逐步普及,液晶电视已经出现,可以说液晶显示与我们的生活息息相关〔1〕.液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关〔2〕等均与液晶的电-光开关特性有关.通过实验分析液晶的电-光开关特性,对理解液晶显示原理及使液晶得到充分利用是很有意义的.1 实验原理1.1 液晶液态晶体(简称液晶,LC)最早是奥地利植物学家莱尼茨尔(F1Rein itzer)于1888年发现的,他是一种介于固体与液体之间,具有规则分子排列的有机化合物,既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质,又有晶体的热、光、电、磁等物理性质.液晶与液体、晶体之间的区别是:液体是各向同性的,分子取向无序;液晶分子有取向序,但无位置序;晶体则既有取向序又有位置序.就液晶形成方式而言,可分为热致液晶和溶致液晶.热致液晶又分为近晶相、向列相和胆甾相.其中向收稿日期:2005-12-25作者简介:杨桂娟(1962-),女,山东省嘉祥县人,副教授,主要从事应用物理的研究.列相液晶是液晶显示器件的主要材料.液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质,如果对这样的物质施加电场(电流),随着液晶分子取向结构发生变化,它的光学特性也随之变化,这就是通常说的液晶的电光效应.液晶的电—光开关特性是液晶电光效应的主要特性.液晶的电光效应种类繁多,主要有动态散射型(DS )、扭曲向列相型(TN )、超扭曲向列相型(STN )、有源矩阵液晶显示(TFT )、电控双折射(ECB )等.其中应用较广的有:TFT 型———主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品;STN 型———主要用于手机屏幕等中档产品;TN 型———主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品,TN 型是目前应用最普遍的液晶显示器件.TN 型液晶显示器件显示原理较简单,是STN 、TFT 等显示方式的基础.1.2 90°扭曲向列型液晶向列相型液晶由长条形有机分子所构成,这些分子的平均排列方向可以很容易排列成规则状,同时又可以通过施加电场来控制长条形液晶分子长轴的方向.在大部分液晶元件中,均要求液晶分子取向均匀且朝向预设的指向.本实验所用的液晶盒结构见图1〔3～4〕.在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间,夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层,四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封.玻璃基板内侧覆盖着一层导向膜,通常是一薄层高分子有机物,使用擦镜纸,沿单一方向摩擦图1所示之PI 导向膜,可在液晶层表面形成排列整齐的沟纹,进而通过分子间的相互作用,可使整个液晶层分子均匀取向.局部的分子取向称为液晶在该点的主导方向.图1中后方PI 导向膜的主导方向相对前方PI 导向膜的主导方向扭转了90°,故液晶分子在液晶层中亦逐渐扭转了90°,所以称为扭曲向列型.令起偏镜的透光轴向平行于前方PI 导向膜的主导方.入射的非偏振光经起偏镜后变成线偏振光,无外电场作用时,由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距,当此线偏振光穿过90°TN -LC 时,其偏振方向会随着液晶分子长轴方向的扭转而扭转,使得透过TN -LC 的光维持为线偏振光,但其偏振方向已扭转90°,如图2所示.入射偏振光的振动方向始终维持与液晶分子长轴平行,故它显示为非常光,其折射率为n e .(同理若入射偏振光之偏振方向始终维持与液晶分子长轴垂直,它也具有90°旋转的扭转效果,但它显示为寻常光,其折射率为n 0). 图1 液晶盒的结构 图2 分子排布与透光示意图Figure 1Structure of liquid boxFigure 2The representation of moleculararrangement and optical propagation 对液晶盒施加电压,当电压达到一定值时,液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜,电压继续增加到另一数值时,除附着在液晶盒前后表面的液晶分子外,所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列,此时TN 型液晶盒90°旋光性完全消失.若检偏镜(第二个偏振片)的偏振方向设定为垂直于起偏镜(第一个偏振片)的偏振方向,不加电压时,入射光通过起偏器形成线偏振光,经过液晶盒后光的偏振方向随液晶分子轴旋转90°,线偏振光能通过检偏器,外视场呈亮态;施加电压后,线偏振光不能通过检偏器,外视场呈暗态,如图3(a )所示.265第3期杨桂娟等:90°扭曲向列型液晶的电—光开关特性图3 电—光开关特性曲线的原理示意图Figure 3 Schem atic representation ofcharacteristic curve of electro -optic valve若检偏镜(第二个偏振片)的偏振方向设定为平行于起偏镜(第一个偏振片)的偏振方向,不加电压时,线偏振光不能透过检偏,外视场呈暗态,此种设定称为“正常黑”模式(Normally Black ,简称NB ).但若在TN 盒两边加电压U ,且当U 超过UC 时,受外电场作用,液晶分子的长轴方向会沿此外加电场方向作平行排列,这将渐渐破坏对偏振光偏振方向的引导扭转作用,光便会渐渐透过检偏镜,外视场呈亮态,如图3(b )所示.2 实验仪器实验仪器如图4所示,主要由控制主机、导轨、滑块、半导体激光器、液晶样品盒、起偏镜、检偏镜、可调光阑及光电探测器组成.其中控制主机包括方波发生器、方波有效值电压表及光功率计.1.半导体激光器;2.起偏镜;3.液晶样品盒(包括液晶样品);4.检偏镜;5.可调光阑;6.光电探测器;7.方波电源;8.光功率计图4 液晶电光开关特性实验装置Figure 4 The experimental facility of liquid crystal electro -optic valve properties3 实验内容及讨论将“90°TN —LC ”设定为“正常黑”(NB )模式,置于两个透光方向互相平行的偏振片之间.使偏振片的偏振方向与前表面液晶分子取向相同(参见图5).266内 蒙 古 民 族 大 学 学 报2006年图5 90°TN 盒的NB 操作模式 图6 液晶电—光开关特性曲线 Figure 5 NB operator schema of 90°TN box Figure 6 The liquid crystal electro -opticvalve properties curve of liquid crystal (1)不加电压时,入射光通过起偏器形成线偏振光,经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90°,不能通过检偏器.(2)使用函数发生器以100Hz 方波的方式加电压于液晶盒的两ITO 电极上.将电压值U 由0逐步增至7V ,进行测量(在关键点附近,必要时宜多取几组数据).并画出电-光开关特性曲线(I -U 曲线),其中纵坐标为透光强度,横坐标为外加电压,见图6.(3)最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压(U th ),U th ±ΔU r =(2.25±0.01)V(4)最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(U r ),U r ±ΔU r =(3.20±0.01)V(5)求出开关斜率γ,令γ=u r -U th U r,γ±Δγ=0.42±0.02.(6)找出NB 90°TN -LC 盒的临界电压U c (当外加电压超过临界电压后,光透射率将急剧上升),U c ±ΔU c =(1.80±0.01)V .4 结论由电-光开关特性曲线可看出,在外加电压小于临界电压前有一小的光反弹;当外加电压小于液晶阈值电压时,透射光强几乎不随外加电压变化;当外加电压大于液晶阈值电压时,透射光强随外加电压的增加而逐渐增加;当外加电压大于饱和电压时,透射光强达到最大.合理地选择液晶的有关参数,使液晶得到充分利用.阈值电压(U th )标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉),阈值电压小,是电光效应好的一个重要指标.饱和电压(U r )标志了获得最大对比度所需的外加电压数值,Ur 小则易获得良好的显示效果,且降低显示功耗,对显示寿命有利.TN -LC 用于显示数字、字符及简单图案等,有选择的在各段电极上施加电压,就可以显示出不同的图案.利用液晶的电光开关特性可以制造光调制器、可以用来进行实时光转换或光信号处理等〔5～6〕.随着液晶技术的不断发展和完善,高性能的显示器件将会层出不穷,液晶的用途将更加广泛.参 考 文 献〔1〕李恒.液晶显示器件的发展与应用〔J 〕.现代电子技术,2003(6):87-89.〔2〕王素红,徐永安.液晶的电光特性〔J 〕.信息工程学院学报,1998,17(1):56～58.〔3〕章岳光,李海峰,刘旭,等.垂直定向液晶光阀电光特性的计算〔J 〕.浙江大学学报,1999,33(4):365～370.〔4〕于永红,杜丕一,王瑞春,等.复合光导层液晶光阀的研究〔J 〕.功能材料与器件学报,2003,9(3):305～308.〔5〕Jav vidi B .Nonlinear joint power spectrum based optical co rrelation 〔J 〕.Appl opt ,1989,28(12):2358-2367.〔6〕Jav vidi B .N onlinear joint transform cor relator based 0ptical pattern recognition using liquid crystal ling t valves 〔J 〕.P rocSPI E ,1992,1665:307-314.〔责任编辑 郑 瑛〕267第3期杨桂娟等:90°扭曲向列型液晶的电—光开关特性。