膽甾相液晶織構(gòu)光譜特性

王佳菱,杜 鑫,呂 加,于天池,范志新

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院,哈爾濱150028;2.大連交通大學(xué) 數(shù)理系,遼寧 大連,116028;3.河北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系,天津300130)

膽甾相液晶是向列相液晶的一種特殊形式,現(xiàn)在還常用手性向列相來稱呼它.把膽甾相液晶裝在液晶盒內(nèi),一般說來會(huì)呈現(xiàn)平面織構(gòu)、焦錐織構(gòu)和場(chǎng)致向列相三種狀態(tài)的織構(gòu)[1-5].由于膽甾相液晶特殊的分子結(jié)構(gòu)以及光學(xué)的各向異性,決定了它具有晶體的旋光性、偏振光二色性和它本身特有的可見光布拉格選擇性反射等性質(zhì),因?yàn)槟戠尴嘁壕Ь哂刑厥獾墓鈱W(xué)性質(zhì)使其在顯示領(lǐng)域和光電子器件方面具有特殊的應(yīng)用[6].研究膽甾相液晶的織構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)無論是對(duì)于液晶物理理論和顯示應(yīng)用都具有一定的基礎(chǔ)意義和實(shí)用價(jià)值.平面織構(gòu)最容易實(shí)現(xiàn),人們對(duì)膽甾相液晶的了解基本上是從對(duì)平面織構(gòu)的研究中認(rèn)識(shí)到的,對(duì)焦錐織構(gòu)的認(rèn)識(shí)是不清楚的,有些結(jié)論是聯(lián)想過來的.這是由于制備大晶疇焦錐織構(gòu)穩(wěn)定樣品的困難,小晶疇樣品散射現(xiàn)象嚴(yán)重掩蓋了其他性質(zhì),因而對(duì)于膽甾相液晶焦錐織構(gòu)光學(xué)性質(zhì)研究的報(bào)道不多.本文制備出了大晶疇焦錐態(tài)穩(wěn)定樣品,因此有條件進(jìn)行膽甾相液晶織構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究.

1 膽甾相液晶織構(gòu)

膽甾相液晶處于哪種織構(gòu)通常由螺距和邊界條件等決定.一般條件下平面織構(gòu)為穩(wěn)定狀態(tài),施加電場(chǎng)可使液晶盒進(jìn)入方格柵織構(gòu)、焦錐織構(gòu)和場(chǎng)致向列相以及一些瞬態(tài)等狀態(tài).

膽甾相液晶的平面織構(gòu)是在液晶盒中,螺旋軸方向平均而言垂直于基板表面,而液晶分子的指向矢總是垂直于螺旋軸,平行于基板表面.對(duì)于膽甾相液晶的平面織構(gòu),當(dāng)可見光垂直入射到液晶盒表面時(shí),發(fā)生選擇波長的布拉格反射,反射波長與膽甾相液晶雙折射率的平均值和膽甾相液晶的螺距P的關(guān)系是:

波長帶寬為:

如果不是垂直入射,入射角和反射角同為 θ時(shí),反射波長為

在正交偏光場(chǎng)中觀察平面態(tài)液晶盒呈布拉格反射光的補(bǔ)色.

當(dāng)增加電場(chǎng)時(shí)膽甾相可以排列成方格柵織構(gòu):膽甾相液晶每一層平面的互相垂直的方向指向矢有周期性.緩慢的小幅度變化的波紋,疊加結(jié)果形成方格柵狀圖案.外電場(chǎng)電壓小的UH擾動(dòng)的結(jié)果,使螺旋平面微傾斜.

焦錐織構(gòu)同平面織構(gòu)一樣,也有其固有的扭轉(zhuǎn)螺距,但是在液晶盒中,螺旋軸方向在液晶盒內(nèi)呈二維(或三維)隨機(jī)分布,且液晶分子的指向矢方向總是與螺旋軸相垂直.由于在液晶盒中焦錐態(tài)總是多疇結(jié)構(gòu),晶疇又很小,一般僅有微米尺寸大小,光在晶界處因折射率的突變而造成光散射,使得焦錐態(tài)液晶盒看上去如同一片“毛玻璃”.在正交偏光場(chǎng)中觀察焦錐態(tài)液晶盒,呈現(xiàn)一定的雙折射干涉著色.偏光顯微鏡觀察,會(huì)發(fā)現(xiàn)不同螺旋軸方向的液晶晶疇呈現(xiàn)不同的顏色,有非常豐富多彩又奇特的織構(gòu)圖案.

場(chǎng)致向列相只有在液晶盒處在外電場(chǎng)中才能看到,這種狀態(tài)時(shí)沒有了扭轉(zhuǎn),螺旋軸被解旋,而液晶分子的指向矢都垂直于基板表面.在正交偏光場(chǎng)中觀察場(chǎng)致向列相液晶盒呈完全黑場(chǎng).

電場(chǎng)引起織構(gòu)突變的相變電壓值,可以根據(jù)液晶的彈性形變的連續(xù)體理論進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如下[5].

其中:k11、k22、k33分別為展曲 、扭曲、彎曲彈性常數(shù),d為盒厚,P0為膽甾相液晶固有螺距,Δε為介電常數(shù)各向異性值.

長螺距的膽甾相液晶在電場(chǎng)作用下容易進(jìn)入指紋織構(gòu),其條狀指紋織構(gòu)是很自然的電控光柵元件,用激光束入射會(huì)看到有規(guī)律的衍射效應(yīng).

2 實(shí)驗(yàn)部分

膽甾相液晶盒的盒厚d=6μm,液晶盒邊界條件分2種,一種是采用低預(yù)傾角取向材料,以制備平面織構(gòu)液晶盒;另一種是高預(yù)傾角取向材料,以制備焦錐織構(gòu)液晶盒.灌注向列相液晶加手性劑配置的膽甾相液晶,螺距分別有P=3μm、P=0.44 μm和0.36μm,雙折射差 Δn=0.15,平面織構(gòu)時(shí)布拉格反射紅光波長λ=0.66μm和綠光λ=0.66 μm.樣品先經(jīng)過熱處理,放到干燥箱中升溫到液晶清亮點(diǎn)溫度,之后以不同的降溫速度冷卻到室溫,快速降溫得到小晶疇焦錐織構(gòu)樣品和平面織構(gòu)樣品,在比清亮點(diǎn)溫度低幾度溫度下恒溫?cái)?shù)小時(shí)再降溫到室溫,得到大晶疇焦錐織構(gòu)樣品.用偏光顯微鏡觀察樣品的液晶織構(gòu),用數(shù)碼相機(jī)拍攝各種織構(gòu)的照片.用紫外可見光分光光度計(jì)測(cè)試樣品的透射光譜.對(duì)幾種樣品施加電場(chǎng),觀測(cè)織構(gòu)變化過程并測(cè)試不同電壓下的透射光譜.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖1給出膽甾相液晶平面織構(gòu)與焦錐織構(gòu)的偏光顯微鏡照片.圖2給出用分光光度計(jì)測(cè)試的螺距P=0.44μm的幾種膽甾相液晶不同織構(gòu)的透射光譜.圖3給出的是加電場(chǎng)螺距P=0.36μm的膽甾相液晶平面織構(gòu)向場(chǎng)致向列相轉(zhuǎn)變過程呈現(xiàn)不同織構(gòu)的透射光譜.

圖1 膽甾相液晶平面結(jié)構(gòu)與焦錐織構(gòu)的偏光顯微鏡照片

由于照片是用透射光拍攝的,所以平面織構(gòu)呈補(bǔ)色顏色.從圖1(A)可以看到平面織構(gòu)晶疇很大,晶界向錯(cuò)線為細(xì)線條,起保持盒厚均勻作用的襯墊料小珠子往往是晶界線的起點(diǎn)和終點(diǎn).從圖1(B)可以看到,小晶疇的焦錐織構(gòu)樣品,晶疇尺寸很小,在微米水平.圖1(C)表現(xiàn)的是大晶疇的焦錐織構(gòu)樣品,晶疇尺寸在數(shù)十到上百微米水平.圖1(D)表現(xiàn)的是場(chǎng)致向列相照片,正交偏光場(chǎng)則會(huì)看到的是完全暗場(chǎng).圖1(E)表現(xiàn)的是長螺距電致指紋織構(gòu)樣品,不加電場(chǎng)時(shí)是平面織構(gòu),加電場(chǎng)看到指紋線一條接一條地生成,直到充滿整個(gè)視場(chǎng).這種指紋線的寬度等于半個(gè)螺距,是直接測(cè)試膽甾相液晶螺距的一種方法.繼續(xù)增加電場(chǎng)會(huì)看到指紋線再一條接一條地消失,原地轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)致向列相,沒有螺距隨電壓增加而變長的現(xiàn)象.圖1(F)表現(xiàn)的是大晶疇的焦錐織構(gòu)樣品加電壓,原來光滑均勻的織構(gòu)上出現(xiàn)了隨電壓變化的條紋.

從圖2(A)的透射光譜曲線可以看到,平面織構(gòu)時(shí),由于布拉格反射現(xiàn)象,透射光譜在(0.660±0.035)μm范圍出現(xiàn)最低值,表明布拉格選擇反射光波長滿足關(guān)系,反射光波長帶寬滿足關(guān)系 Δλ=ΔnP.另外最低值不為零,原因是膽甾相液晶的螺旋結(jié)構(gòu)有左手性和右手性之分,使可見光布拉格選擇反射還有左旋光和右旋光之分,只有把左旋光和右旋光都反射掉透射光最低值才會(huì)很低.從圖2(B)可以看出,小晶疇的焦錐織構(gòu)樣品由于散射嚴(yán)重,透射光譜強(qiáng)度比較弱,但也不是一致的弱,在蘭光450 nm波長處卻有比較高的透光率,對(duì)紅光的透光率比較低.圖2(C)表明,大晶疇的焦錐織構(gòu)樣品在可見光范圍是還比較透明的,這一點(diǎn)與以往人們對(duì)焦錐織構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)是不同的.在以往的研究報(bào)道中提起焦錐織構(gòu),認(rèn)為就是光的散射[2-3].其實(shí)大晶疇焦錐織構(gòu)還具有雙折射等光學(xué)性質(zhì),有待于人們進(jìn)一步深入研究并加以應(yīng)用.圖2(D)表明,進(jìn)入完全場(chǎng)致向列相的膽甾相液晶盒樣品的透光性已經(jīng)很好,沒有多少散射損失.

圖2 幾種膽甾相液晶不同織構(gòu)光譜

圖3 膽甾相液晶平面織構(gòu)向場(chǎng)致向列相轉(zhuǎn)變過程透射光譜

圖3(A)表明螺距P=0.36μm的膽甾相液晶平面織構(gòu)時(shí)具有布拉格反射現(xiàn)象,與圖2(A)的區(qū)別在于反射波長中心位置不同.圖3(B)表明,加電場(chǎng)平面織構(gòu)被破壞,大的平面織構(gòu)晶疇變成細(xì)碎的三維焦錐織構(gòu)小晶疇,對(duì)光的散射很嚴(yán)重,透射光譜強(qiáng)度比較弱.圖3(C)表明,繼續(xù)增加電壓焦錐織構(gòu)晶疇有所長大,變成二維性的焦錐織構(gòu),但電場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)生成的晶疇仍然不夠大,對(duì)光的散射現(xiàn)象仍然很嚴(yán)重.在對(duì)液晶盒直接觀察就能看到一加上電場(chǎng),原來呈綠色的液晶盒馬上變成了“毛玻璃”.圖3(D)表明,當(dāng)外加電場(chǎng)達(dá)到場(chǎng)致向列相電壓時(shí),液晶盒又變得比較透明,這時(shí)的透射光譜強(qiáng)度比較高.

4 結(jié) 語

膽甾相液晶具有特殊的光學(xué)性質(zhì),在液晶顯示和光電子器件領(lǐng)域有十分特殊的應(yīng)用.晶疇焦錐織構(gòu)樣品以光散射為主要特點(diǎn),大晶疇焦錐織構(gòu)樣品和場(chǎng)致向列相樣品卻有比較好的透光性.對(duì)于研究其電光性質(zhì)具有重要的意義.

[1]李昌立,孫 晶,蔡紅星,等.膽甾相液晶的光學(xué)特性[J].液晶與顯示,2002,17(3):193-198.

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