膽甾相液晶織構光譜特性

王佳菱,杜 鑫,呂 加,于天池,范志新

(1.哈爾濱商業大學 基礎科學學院,哈爾濱150028;2.大連交通大學 數理系,遼寧 大連,116028;3.河北工業大學應用物理系,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,一般說來會呈現平面織構、焦錐織構和場致向列相三種狀態的織構[1-5].由于膽甾相液晶特殊的分子結構以及光學的各向異性,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,因為膽甾相液晶具有特殊的光學性質使其在顯示領域和光電子器件方面具有特殊的應用[6].研究膽甾相液晶的織構和光學性質無論是對于液晶物理理論和顯示應用都具有一定的基礎意義和實用價值.平面織構最容易實現,人們對膽甾相液晶的了解基本上是從對平面織構的研究中認識到的,對焦錐織構的認識是不清楚的,有些結論是聯想過來的.這是由于制備大晶疇焦錐織構穩定樣品的困難,小晶疇樣品散射現象嚴重掩蓋了其他性質,因而對于膽甾相液晶焦錐織構光學性質研究的報道不多.本文制備出了大晶疇焦錐態穩定樣品,因此有條件進行膽甾相液晶織構光學性質的實驗研究.

1 膽甾相液晶織構

膽甾相液晶處于哪種織構通常由螺距和邊界條件等決定.一般條件下平面織構為穩定狀態,施加電場可使液晶盒進入方格柵織構、焦錐織構和場致向列相以及一些瞬態等狀態.

膽甾相液晶的平面織構是在液晶盒中,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.對于膽甾相液晶的平面織構,當可見光垂直入射到液晶盒表面時,發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,反射波長為

在正交偏光場中觀察平面態液晶盒呈布拉格反射光的補色.

當增加電場時膽甾相可以排列成方格柵織構: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,疊加結果形成方格柵狀圖案.外電場電壓小的UH擾動的結果,使螺旋平面微傾斜.

焦錐織構同平面織構一樣,也有其固有的扭轉螺距,但是在液晶盒中,螺旋軸方向在液晶盒內呈二維(或三維)隨機分布,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總是多疇結構,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,使得焦錐態液晶盒看上去如同一片“毛玻璃”.在正交偏光場中觀察焦錐態液晶盒,呈現一定的雙折射干涉著色.偏光顯微鏡觀察,會發現不同螺旋軸方向的液晶晶疇呈現不同的顏色,有非常豐富多彩又奇特的織構圖案.

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

電場引起織構突變的相變電壓值,可以根據液晶的彈性形變的連續體理論進行計算,結果如下[5].

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

長螺距的膽甾相液晶在電場作用下容易進入指紋織構,其條狀指紋織構是很自然的電控光柵元件,用激光束入射會看到有規律的衍射效應.

2 實驗部分

膽甾相液晶盒的盒厚d=6μm,液晶盒邊界條件分2種,一種是采用低預傾角取向材料,以制備平面織構液晶盒;另一種是高預傾角取向材料,以制備焦錐織構液晶盒.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,平面織構時布拉格反射紅光波長λ=0.66μm和綠光λ=0.66 μm.樣品先經過熱處理,放到干燥箱中升溫到液晶清亮點溫度,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樣品和平面織構樣品,在比清亮點溫度低幾度溫度下恒溫數小時再降溫到室溫,得到大晶疇焦錐織構樣品.用偏光顯微鏡觀察樣品的液晶織構,用數碼相機拍攝各種織構的照片.用紫外可見光分光光度計測試樣品的透射光譜.對幾種樣品施加電場,觀測織構變化過程并測試不同電壓下的透射光譜.

3 實驗結果和討論

圖1給出膽甾相液晶平面織構與焦錐織構的偏光顯微鏡照片.圖2給出用分光光度計測試的螺距P=0.44μm的幾種膽甾相液晶不同織構的透射光譜.圖3給出的是加電場螺距P=0.36μm的膽甾相液晶平面織構向場致向列相轉變過程呈現不同織構的透射光譜.

圖1 膽甾相液晶平面結構與焦錐織構的偏光顯微鏡照片

由于照片是用透射光拍攝的,所以平面織構呈補色顏色.從圖1(A)可以看到平面織構晶疇很大,晶界向錯線為細線條,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和終點.從圖1(B)可以看到,小晶疇的焦錐織構樣品,晶疇尺寸很小,在微米水平.圖1(C)表現的是大晶疇的焦錐織構樣品,晶疇尺寸在數十到上百微米水平.圖1(D)表現的是場致向列相照片,正交偏光場則會看到的是完全暗場.圖1(E)表現的是長螺距電致指紋織構樣品,不加電場時是平面織構,加電場看到指紋線一條接一條地生成,直到充滿整個視場.這種指紋線的寬度等于半個螺距,是直接測試膽甾相液晶螺距的一種方法.繼續增加電場會看到指紋線再一條接一條地消失,原地轉變為場致向列相,沒有螺距隨電壓增加而變長的現象.圖1(F)表現的是大晶疇的焦錐織構樣品加電壓,原來光滑均勻的織構上出現了隨電壓變化的條紋.

從圖2(A)的透射光譜曲線可以看到,平面織構時,由于布拉格反射現象,透射光譜在(0.660±0.035)μm范圍出現最低值,表明布拉格選擇反射光波長滿足關系,反射光波長帶寬滿足關系 Δλ=ΔnP.另外最低值不為零,原因是膽甾相液晶的螺旋結構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很低.從圖2(B)可以看出,小晶疇的焦錐織構樣品由于散射嚴重,透射光譜強度比較弱,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,對紅光的透光率比較低.圖2(C)表明,大晶疇的焦錐織構樣品在可見光范圍是還比較透明的,這一點與以往人們對焦錐織構光學性質的認識是不同的.在以往的研究報道中提起焦錐織構,認為就是光的散射[2-3].其實大晶疇焦錐織構還具有雙折射等光學性質,有待于人們進一步深入研究并加以應用.圖2(D)表明,進入完全場致向列相的膽甾相液晶盒樣品的透光性已經很好,沒有多少散射損失.

圖2 幾種膽甾相液晶不同織構光譜

圖3 膽甾相液晶平面織構向場致向列相轉變過程透射光譜

圖3(A)表明螺距P=0.36μm的膽甾相液晶平面織構時具有布拉格反射現象,與圖2(A)的區別在于反射波長中心位置不同.圖3(B)表明,加電場平面織構被破壞,大的平面織構晶疇變成細碎的三維焦錐織構小晶疇,對光的散射很嚴重,透射光譜強度比較弱.圖3(C)表明,繼續增加電壓焦錐織構晶疇有所長大,變成二維性的焦錐織構,但電場短時間內驅動生成的晶疇仍然不夠大,對光的散射現象仍然很嚴重.在對液晶盒直接觀察就能看到一加上電場,原來呈綠色的液晶盒馬上變成了“毛玻璃”.圖3(D)表明,當外加電場達到場致向列相電壓時,液晶盒又變得比較透明,這時的透射光譜強度比較高.

4 結 語

膽甾相液晶具有特殊的光學性質,在液晶顯示和光電子器件領域有十分特殊的應用.晶疇焦錐織構樣品以光散射為主要特點,大晶疇焦錐織構樣品和場致向列相樣品卻有比較好的透光性.對于研究其電光性質具有重要的意義.

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

[2]楊登科.雙穩態螺旋相液晶顯示器[J].現代顯示,1994(1):17-23.

[3]才 勇,黃錫珉,馬 凱.雙穩反射式螺旋相液晶顯示器[J].液晶與顯示,1997,12(3),196-205.

[4]產啟林.膽甾相液晶在彩色顯示技術中的應用[J].現代顯示,2004(5):17-22.

[5]施善定.液晶與顯示應用[M].上海:華東華工學院出版社,1993:119-120.

[6]AKSENOVA E V,YU A,VALKOV.LightScattering in Cholesteric Liquid Crystals with a Large Pitch[J].Journal of experimental and theoretical physics,2004,98(1):62-92.