光-電協(xié)同調(diào)控的高反射率全彩色液晶器件

曾爽爽， 林海一， 劉濤， 侯丹星， 王家星， 車春城， 武曉娟*， 郭金寶*

（1.北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100029；2.北京京東方光電科技有限公司， 北京 100176；3.北京京東方傳感技術(shù)有限公司， 北京 100176）

1 引言

開發(fā)外場(chǎng)調(diào)控的液晶光子材料對(duì)于發(fā)展先進(jìn)的光子學(xué)智能響應(yīng)材料具有重要意義［1-12］。通過外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)膽甾相液晶Bragg反射的動(dòng)態(tài)調(diào)控，近年來吸引了研究者們的廣泛關(guān)注，是當(dāng)前光學(xué)領(lǐng)域最重要的研究熱點(diǎn)之一。將扭曲-彎曲向列相（twist-bend nematic，Ntb）液晶［13-15］與向列相液晶及手性劑混合，在電場(chǎng)等外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下可形成具有傾斜螺旋結(jié)構(gòu)的膽甾相液晶［16］，即傾斜螺旋膽甾相（oblique helicoidal cholesteric，ChOH）液晶［17］。ChOH液晶與常規(guī)膽甾相液晶（cholesteric liquid crystal，CLC）相比，其最大的優(yōu)勢(shì)在于ChOH的螺距P、傾角θ及分子手性可以在電場(chǎng)等外場(chǎng)刺激下發(fā)生改變，從而可以實(shí)現(xiàn)從近紫外到近紅外寬光譜范圍的Bragg反射［16，18-20］，這樣的電場(chǎng)調(diào)控行為與常規(guī)CLC完全不同［21-23］。因此，ChOH液晶材料在全色反射顯示器、智能窗戶、可調(diào)諧濾波器、電控光學(xué)器件以及其他應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，對(duì)ChOH液晶材料的研究兼具基礎(chǔ)及應(yīng)用研究意義。

近十年以來，動(dòng)態(tài)操縱ChOH螺旋超結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)受到研究者們的廣泛關(guān)注，人們致力于通過改變電場(chǎng)、光場(chǎng)、熱場(chǎng)等外界條件來改變ChOH液晶體系的反射性能，從而使其具有特定的性能及應(yīng)用［12，24-27］。其中，由于光調(diào)控具有清潔無污染且可通過非接觸簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)和定區(qū)域調(diào)控，因此通過引入手性光開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)ChOH液晶的光調(diào)控成為近幾年關(guān)于ChOH-LC的研究熱點(diǎn)之一。Yuan Conglong等［25］將二芳基乙烯類手性光敏開關(guān)引入ChOH液晶體系中，首次成功設(shè)計(jì)并制備了基于手性光敏開關(guān)的可光調(diào)控傾斜螺旋結(jié)構(gòu)的ChOH液晶體系。2021年，Kamal Thapa等［26］將偶氮苯類非手性光敏開關(guān)摻雜入ChOH液晶體系中，實(shí)現(xiàn)了光電聯(lián)合可連續(xù)調(diào)節(jié)ChOH液晶體系的螺旋螺距。賈淑珍等［27］合成了一種偶氮苯類手性光敏開關(guān)，通過將偶氮類手性光敏開關(guān)摻雜入ChOH液晶體系中，獲得了具有可光調(diào)控性能的ChOH液晶，進(jìn)一步豐富了基于手性光開關(guān)的具有光電調(diào)控性能的ChOH液晶材料在先進(jìn)光子學(xué)領(lǐng)域的研究。

本文利用光調(diào)控ChOH的旋向及電場(chǎng)調(diào)控螺旋結(jié)構(gòu)周期的策略獲得了具有高反射率和全彩色顯示的液晶器件。不同于以往光調(diào)控ChOH液晶研究［25-27］，本文創(chuàng)新性地將雙重調(diào)控應(yīng)用于顯示器件反射性能的提升上。具體而言，在液晶器件中通過光電協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)了垂直螺旋結(jié)構(gòu)、傾斜螺旋結(jié)構(gòu)以及相反旋向相對(duì)應(yīng)的螺旋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，且體系的螺旋螺距具有可調(diào)諧性能。通過向體系中引入一種具有左旋旋向的手性光開關(guān)，利用手性光開關(guān)的螺旋扭曲力（helical twisted power， HTP）值會(huì)隨著自身發(fā)生光致Z/E異構(gòu)化反應(yīng)而改變的特性，賦予了ChOH液晶光響應(yīng)性質(zhì)。進(jìn)一步地，通過使用非光敏手性劑R811來平衡手性光敏開關(guān)發(fā)生光致異構(gòu)化前后HTP值上的差異，使右旋和左旋傾斜螺旋結(jié)構(gòu)在相同電場(chǎng)刺激下具有相近的可調(diào)諧的紅綠藍(lán)反射色。這種通過光電協(xié)同精確調(diào)控ChOH液晶的旋向以及螺旋周期和相應(yīng)反射波段的研究是以前從未報(bào)道的。在此基礎(chǔ)上，制備了雙層ChOH液晶器件，實(shí)現(xiàn)了全反射效果并提升了體系的反射率。這項(xiàng)工作為制備光-電調(diào)控反射性能的ChOH液晶材料的研究提供了重要參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 液晶體系組成及混配

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種可電場(chǎng)誘導(dǎo)形成ChOH的液晶體系，可實(shí)現(xiàn)在電場(chǎng)和光的協(xié)同刺激下，體系在直螺旋結(jié)構(gòu)、傾斜螺旋結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的反向螺旋結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)變。如圖1（a）所示，在初始狀態(tài)時(shí)，ChOH液晶中分子自組裝成右旋螺旋結(jié)構(gòu)。對(duì)體系施加電場(chǎng)并逐漸增加電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度超過閾值（E1）時(shí)，體系由垂直螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成傾斜螺旋結(jié)構(gòu)。繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)致ChOH液晶傾斜角逐漸減小，并伴隨著螺距的減小，體系選擇性反射右旋圓偏振光且反射波長(zhǎng)逐漸藍(lán)移。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到E2時(shí)，傾斜螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)致向列相。當(dāng)施加電場(chǎng)使得液晶為場(chǎng)致向列相時(shí)，體系受到450 nm藍(lán)光照射至光穩(wěn)態(tài)后，手性光開關(guān)發(fā)生光致Z/E異構(gòu)化反應(yīng)，其HTP值會(huì)顯著增加。通過事先控制手性劑R811的含量，使體系實(shí)現(xiàn)手性翻轉(zhuǎn)，在外加電場(chǎng)調(diào)控下由初始態(tài)反射右旋圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)楣夥€(wěn)態(tài)下反射左旋圓偏振光，并可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定反射特定波長(zhǎng)光的效果。值得注意的是，需要在電場(chǎng)和光場(chǎng)的雙重刺激下，ChOH液晶才可實(shí)現(xiàn)手性翻轉(zhuǎn)。當(dāng)體系發(fā)生手性翻轉(zhuǎn)后，依然可以通過改變電場(chǎng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)ChOH液晶選擇性反射波長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。該材料體系主要由彎曲型分子混合（CB7CB和CB6OCB，實(shí)驗(yàn)室自制）、向列相液晶5CB（購(gòu)自北京八億時(shí)空液晶科技股份有限公司）、手性劑R811（北京八億時(shí)空液晶科技股份有限公司）和手性光開關(guān)switch 1 （實(shí)驗(yàn)室自制）混配而成，以上材料的分子結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。彎曲型分子CB7CB和CB6OCB具有奇數(shù)個(gè)碳或奇數(shù)個(gè)碳氧的柔性鏈連接的氰基聯(lián)苯基元，它們提供了必要的彎曲和扭曲彈性效應(yīng)，以誘導(dǎo)和穩(wěn)定傾斜螺旋超結(jié)構(gòu)。本文中使用的手性光開關(guān)switch 1是一類氰芪基手性光開關(guān)，具體合成制備方法參見課題組以前的工作［28］。switch 1具有左旋手性，可以在450 nm藍(lán)光照射后發(fā)生HTP值的變化，且在光穩(wěn)態(tài)時(shí)具有較好的熱穩(wěn)定性。進(jìn)一步利用具有右旋手性的R811的手性抵消作用，以誘導(dǎo)體系中螺旋結(jié)構(gòu)的旋向發(fā)生變化。為實(shí)現(xiàn)材料體系在室溫下形成膽甾相，5CB的最優(yōu)濃度需要提前確定。以前研究表明，在彎曲型分子、手性劑以及向列相液晶5CB混合物中，隨著5CB含量的逐漸升高，體系的相轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)［29］。本研究中為了獲得室溫下可使用的電致ChOH的液晶混合物，實(shí)驗(yàn)中制備了含有不同濃度5CB的液晶混合物并對(duì)相轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行了測(cè)試，從而確定了混合物中5CB的具體含量。將稱量好的彎曲型分子混合物、向列相液晶5CB、手性劑R811和手性光開關(guān)switch 1混配放于西林瓶中，用有機(jī)溶劑二氯甲烷進(jìn)行溶解并超聲15 min。將超聲完成的液晶混合物溶液置于45 ℃的熱臺(tái)上自然通風(fēng)揮發(fā)去除溶劑，獲得組分混合均勻的液晶混合物。將間隔為20 μm厚度的平面取向液晶盒置于精密控溫?zé)崤_(tái)上升溫至80 ℃，液晶混合物在此溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己昧鲃?dòng)性的各向同性態(tài)，這有利于液晶的灌盒。將上述液晶混合物利用毛細(xì)作用緩慢灌入液晶盒中，降溫待用。

圖1 （a） ChOH液晶體系的光電刺激響應(yīng)性原理；（b）液晶體系中各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。Fig.1 （a） Principle of photo-electric stimulation response of the ChOH LC system； （b） Molecular structures of the components used in the LC system.

2.2 高反射率的雙層結(jié)構(gòu)液晶器件的制備

制備了一種具有雙層結(jié)構(gòu)的液晶器件。圖2為雙層液晶器件的制備原理示意圖。首先通過控制液晶體系中手性光開關(guān)與手性劑R811的相對(duì)含量，使得體系在光照前后對(duì)其施加相同的電場(chǎng)強(qiáng)度，反射具有相反旋向且相同波段的圓偏振光。在確定液晶混合物的組成后將光響應(yīng)液晶混合物灌入雙層液晶盒（由一片雙面ITO導(dǎo)電玻璃和兩片單面ITO導(dǎo)電玻璃制得），此時(shí)雙層液晶盒的上下兩層螺旋結(jié)構(gòu)一致。隨后對(duì)材料進(jìn)行分層光電刺激，誘導(dǎo)上層螺旋結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)（上層施加電場(chǎng)E1至場(chǎng)致態(tài)時(shí)進(jìn)行光輻照），在完成上層螺旋結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)后停止對(duì)上層的光輻照以及電場(chǎng)作用。此時(shí)雙層液晶盒的上下兩層螺旋結(jié)構(gòu)相反。然后，在上下層同時(shí)施加合適的電場(chǎng)E2（E1＞E2），可在雙層結(jié)構(gòu)中形成左、右旋ChOH結(jié)構(gòu)，從而具有全反射效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)液晶器件反射率的提升。

圖2 具有高反射率的雙層ChOH液晶器件的制備原理示意圖（E1 ＞ E2）Fig.2 Schematic diagram of the preparation of double-layer ChOH LC devices with high reflectivity （E1 ＞ E2）

2.3 測(cè)試與數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)中樣品織構(gòu)通過偏光顯微鏡（POM，Leica DM2500P）觀察。偏光顯微織構(gòu)通過安置在顯微鏡上的數(shù)碼相機(jī)采集。相轉(zhuǎn)變溫度通過差示掃描量熱儀（DSC，型號(hào)Q100DSC）測(cè)試獲得。反射光譜利用光纖光譜儀（Avantes AvaSpec-2048）測(cè)試收集。為了研究樣品在電場(chǎng)和光場(chǎng)下的性能，在實(shí)驗(yàn)中給樣品施加一個(gè)交流電場(chǎng)（3 kHz）以及450 nm藍(lán)色LED光源調(diào)控其相關(guān)性能。使用信號(hào)發(fā)生器（Keysight 33511B）和電壓放大器（TEGAM 2340）實(shí)施電場(chǎng)。使用JASCO J810型圓二色光譜儀測(cè)試樣品的CD光譜。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證手性光開關(guān)switch 1與R811在合適的比例下能夠誘導(dǎo)形成的CLC發(fā)生手性翻轉(zhuǎn)，且在翻轉(zhuǎn)前后體系的HTP值相等或相近。實(shí)驗(yàn)中將1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） switch 1及2.06%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） R811同時(shí)摻雜到5CB中得到CLC，將所得CLC灌入楔形盒及垂直取向盒中觀察。在POM下觀察形成的卡諾線間距，通過Grandjean-Cano法計(jì)算體系的HTP值［30］。如圖3（a）所示，switch 1在450 nm藍(lán)光照射下發(fā)生Z/E光異構(gòu)化，在液晶體系中隨之而來的是HTP值的增大［28］。由于相反手性的R811的抵消作用，初始態(tài)CLC的螺旋結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)右旋手性；而經(jīng)由450 nm的藍(lán)光LED（15 mW/cm2，優(yōu)選的光強(qiáng)）照射30 s到達(dá)PSS450時(shí)，體系的螺旋結(jié)構(gòu)由右旋轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮▓D3（b））。如圖3（c）所示，在初始態(tài)時(shí)觀察到CLC在楔形盒中有非常明顯的Cano線，計(jì)算得初始態(tài)的HTP值為11.65 μm-1，在用450 nm藍(lán)光照射過程中，視野中的Cano線間距逐漸增大直至消失，證明此時(shí)體系出現(xiàn)消旋現(xiàn)象，呈現(xiàn)向列相，此時(shí)HTP值約為0。繼續(xù)用450 nm光照射時(shí)，Cano線重新形成并逐漸減小直至光穩(wěn)態(tài)，表明體系發(fā)生了手性翻轉(zhuǎn)，經(jīng)計(jì)算此時(shí)體系的HTP值為-11.28 μm-1。相應(yīng)地，我們同時(shí)在垂直取向液晶盒觀察到了對(duì)應(yīng)的相變序列。初始態(tài)時(shí)，在POM下觀察到了CLC的典型指紋織構(gòu)。在用450 nm藍(lán)光照射時(shí)，體系指紋織構(gòu)先逐漸消失，之后又重新形成。這些觀察結(jié)構(gòu)都證實(shí)了CLC體系發(fā)生了手性翻轉(zhuǎn)。

圖3 （a） Switch 1在450 nm藍(lán)光照射下發(fā)生Z/E光異構(gòu)化；（b） Switch 1與R811手性抵消誘導(dǎo)液晶體系發(fā)生手性翻轉(zhuǎn)示意圖；（c） 450 nm光照下，向列相液晶5CB摻雜1.0% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的switch 1與2.06% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） R811形成的CLCs在楔形盒中以及垂直取向液晶盒中的POM圖像。Fig.3 （a） Z/E photoisomerization of switch 1 upon the irradiations of 450 nm blue light； （b） The mechanism of helical inversion in LC system； （c） POM images of the CLCs formed by doping 1.0% （mass fraction） switch 1 and 2.06%（mass fraction） R811 into 5CB in the wedge cell and in vertically oriented cell under 450 nm illumination.

圖4為5CB中摻雜1%的switch 1與2.06%R811形成的CLC的圓二色譜（CD）測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了上述光響應(yīng)液晶體系發(fā)生了螺旋結(jié)構(gòu)的手性翻轉(zhuǎn)。由圖4可知，CD信號(hào)處于超量程狀態(tài)，這種狀態(tài)是由于體系中手性分子濃度高而出現(xiàn)的一種正常的測(cè)試現(xiàn)象，不影響對(duì)體系手性特征的定性分析［31-32］。在初始狀態(tài)時(shí)，可以觀察到CD信號(hào)為很強(qiáng)的正信號(hào)，對(duì)應(yīng)于體系初始態(tài)的右旋螺旋結(jié)構(gòu)；當(dāng)用450 nm藍(lán)光照射至光穩(wěn)態(tài)時(shí)，再次對(duì)樣品進(jìn)行CD光譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)CD信號(hào)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，由強(qiáng)的正信號(hào)轉(zhuǎn)為強(qiáng)的負(fù)信號(hào)，對(duì)應(yīng)于體系PSS450的左旋螺旋結(jié)構(gòu)。因此，CD光譜測(cè)試結(jié)果再次證明了經(jīng)450 nm藍(lán)光照射前后，上述體系確實(shí)發(fā)生了手性翻轉(zhuǎn)。

圖4 5CB中摻雜1% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的switch 1與2.06%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） R811 形成的CLC的CD光譜圖Fig.4 CD spectra of CLC formed by doping 1.0% （mass fraction）switch 1 and 2.06% （mass fraction） R811 into 5CB

基于前述switch 1誘導(dǎo)體系螺旋結(jié)構(gòu)旋向翻轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了光響應(yīng)ChOH液晶體系的材料組成，主要由CB7CB、CB6OCB、5CB、R811以及switch 1混配而成，并設(shè)置switch 1與R811的質(zhì)量比為1∶2.06。組分的具體配比如下：45%5CB，30% CB7CB，15% CB6OCB，3.26% switch 1， 6.74% R811。由POM、DSC及反射光譜測(cè)試可知，體系的清亮點(diǎn)為61 ℃；可電場(chǎng)誘導(dǎo)形成ChOH的溫度區(qū)間為25～33 ℃。圖5為光響應(yīng)ChOH液晶體系初始態(tài)下及PSS450下分別在1.40 V/μm、1.30 V/μm和1.15 V/μm電場(chǎng)強(qiáng)度下的選擇性反射光譜。需要指出的是，這里我們重點(diǎn)關(guān)注了實(shí)現(xiàn)RGB三基色反射對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，由上述結(jié)果可知，反射光顏色從藍(lán)色遷移到紅色需要施加的電場(chǎng)強(qiáng)度越來越小。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在27.5 ℃時(shí)（后續(xù)的光/電調(diào)控都選擇這個(gè)溫度），當(dāng)用450 nm藍(lán)光照射體系至PSS450時(shí)，施加與初始態(tài)時(shí)相同的電場(chǎng)強(qiáng)度，體系在PSS450下發(fā)生了傾斜螺旋結(jié)構(gòu)的旋向翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)前后體系相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下具有相近的反射波段。

圖5 ChOH液晶體系（a）初始態(tài)及（b）PSS450下分別在1.40 V/μm、1.30 V/μm和1.15 V/μm電場(chǎng)強(qiáng)度下的選擇性反射光譜。Fig.5 Reflectance spectra at 1.40 V/μm， 1.30 V/μm and 1.15 V/μm for （a） the initial state and （b） PSS450 of the ChOH LC system.

實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)得了右旋圓偏振片和左旋圓偏振片下樣品在相應(yīng)電壓下的反射光譜及實(shí)物圖（圖6）。測(cè)試結(jié)果表明，在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，樣品在右旋圓偏振片下能測(cè)出反射峰，而在左旋圓偏振片下則無反射峰出現(xiàn)。這是由于周期性螺旋超結(jié)構(gòu)帶來的Bragg反射和圓二色性，ChOH液晶體系只能反射與自身螺旋結(jié)構(gòu)旋向相同的光。在初始狀態(tài)下，體系中switch 1與R811共同誘導(dǎo)出了ChOH液晶的右旋螺旋結(jié)構(gòu)。由于體系中手性光敏開關(guān)具有光響應(yīng)特性，在450 nm藍(lán)光照射下發(fā)生了Z/E異構(gòu)化反應(yīng)，導(dǎo)致HTP值發(fā)生改變，從而賦予了ChOH液晶體系光響應(yīng)性能。PSS450下體系的傾斜螺旋結(jié)構(gòu)旋向發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，由右旋的傾斜螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮膬A斜螺旋結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中同樣測(cè)得了右旋圓偏振片和左旋圓偏振片下樣品在相應(yīng)電壓下的反射光譜及實(shí)物圖（圖7）。測(cè)試結(jié)果表明，在PSS450下，ChOH液晶體系具有左旋的圓偏振Bragg反射性能，ChOH液晶的螺旋結(jié)構(gòu)成功發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由初始的右旋旋向翻轉(zhuǎn)為左旋旋向。

圖6 （a～c）分別通過右旋圓偏振片和左旋圓偏振片測(cè)得光響應(yīng)ChOH液晶體系的右旋（R，虛線）和左旋（L，實(shí)線）圓偏振反射光譜；（d）不加偏振片、左旋圓偏振片和右旋圓偏振片下獲得的光響應(yīng)ChOH液晶體系在初始態(tài)時(shí)電場(chǎng)調(diào)控下的實(shí)物照片。Fig.6 （a～c） Spectra of right-handed （R， dotted line） and left-handed （L， solid line） circularly polarized reflection spectra of the ChOH LC system measured by right-handed and left-handed circular polarizers， respectively； （d） Physical photographs of the photoresponsive ChOH LC system obtained without polarizer， with left-hand circular polarizer and with right-hand circular polarizer under electric field modulation at the initial state.

圖7 （a～c）分別通過右旋圓偏振片和左旋圓偏振片測(cè)得光響應(yīng)ChOH液晶體系的右旋（R，虛線）和左旋（L，實(shí)線）圓偏振反射光譜；（d）不加偏振片、左旋圓偏振片和右旋圓偏振片下獲得的光響應(yīng)ChOH液晶體系在PSS450時(shí)電場(chǎng)調(diào)控下的實(shí)物照片。Fig.7 （a～c） Spectra of right-handed （R， dotted line） and left-handed （L， solid line） circularly polarized reflection spectra of the ChOH LC system measured by right-handed and left-handed circular polarizers， respectively； （d） Physical photographs of the photoresponsive ChOH LC system obtained without polarizer， with left-hand circular polarizer and with right-hand circular polarizer under electric field modulation in PSS450 state.

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步測(cè)得了雙層液晶器件結(jié)構(gòu)的反射光譜（圖8（a～c）），可以明顯地看到在初始態(tài)時(shí)，對(duì)雙層結(jié)構(gòu)依次施加1.40 V/μm、1.30 V/μm和1.15 V/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度，反射率相對(duì)值分別約在30.90%、34.80%及38.10%。雙層結(jié)構(gòu)下的反射率相比單層結(jié)構(gòu)中的反射率較高，這是由于雙層結(jié)構(gòu)比單層結(jié)構(gòu)的厚度相對(duì)增加，從而使反射率比單層結(jié)構(gòu)相對(duì)較高，但由于在初始態(tài)下施加電場(chǎng)在雙層結(jié)構(gòu)均反射右旋圓偏振光，故反射率不超過50%。當(dāng)先對(duì)上層結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)至場(chǎng)致向列相時(shí)進(jìn)行450 nm光照至PSS450，再次對(duì)雙層結(jié)構(gòu)依次施加1.40 V/μm、1.30 V/μm和1.15 V/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，液晶器件的反射率分別為48.50%、56.12%和57.50%，反射率明顯提高。這是因?yàn)槠骷蠈咏Y(jié)構(gòu)在受到光電雙重刺激至PSS450后，體系發(fā)生了手性翻轉(zhuǎn)，由初始態(tài)的右旋螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變PSS450下的左旋螺旋結(jié)構(gòu)，而下層結(jié)構(gòu)依然是右旋螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)再次對(duì)雙層結(jié)構(gòu)同時(shí)施加相同的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，雙層器件上下層均成功實(shí)現(xiàn)Bragg反射，且上層結(jié)構(gòu)反射左旋圓偏振光，下層結(jié)構(gòu)反射右旋圓偏振光，實(shí)現(xiàn)了全反射效應(yīng)，因此，雙層器件結(jié)構(gòu)中，體系的反射率提升近60%。利用左旋圓偏振片和右旋圓偏振片拍攝了PSS450下雙層ChOH液晶結(jié)構(gòu)的實(shí)物照片。圖8（d）分別為左旋圓偏振片和右旋圓偏振片下樣品在1.40 V/μm、1.30 V/μm和1.15 V/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度下的實(shí)物圖。觀察發(fā)現(xiàn)，在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，樣品在不加偏振片、左旋偏振片和右旋偏振片窗口下均能看到Bragg反射色，且同樣不加偏振片下的樣品顏色更鮮艷，這是由于使用偏振片后使外界入射光源的強(qiáng)度變?nèi)鯇?dǎo)致的。通過直觀的實(shí)物照片再一次證實(shí)了PSS450下雙層ChOH液晶體系同時(shí)具有左旋和右旋的圓偏振Bragg反射性能，具有了全反射效應(yīng)，提升了ChOH液晶體系的反射率。

圖8 （a～c） 雙層液晶結(jié)構(gòu)初始態(tài)及PSS450下的反射光譜及 （d） 圓偏振片下的實(shí)物照片F(xiàn)ig. 8 （a～c） Reflective spectra of the initial state and PSS450 state of the double-layer LC structure and （d） the corresponding physical photos obtained without polarizers， left-handed circular polarizers， and right-handed circular polarizers during electric field control.

4 結(jié)論

本文利用光調(diào)控傾斜螺旋膽甾相（ChOH）的旋向、電場(chǎng)調(diào)控螺旋周期（反射波段）的策略獲得了具有高反射率、全彩色顯示的液晶器件。通過在體系中引入一種手性光開關(guān)switch 1，制備具有光響應(yīng)性能的ChOH液晶材料，基于相反旋向手性添加劑手性抵消原則，通過巧妙控制switch 1與手性劑R811的質(zhì)量比，使ChOH液晶體系在光照前后對(duì)其施加相同的電場(chǎng)強(qiáng)度可以反射具有相反旋向且相同波段的圓偏振光。在此基礎(chǔ)上制備了雙層ChOH液晶器件，對(duì)體系進(jìn)行分層光電刺激，誘導(dǎo)上層螺旋結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，可在雙層結(jié)構(gòu)中同時(shí)形成左右旋結(jié)構(gòu)，從而使器件在紅-綠-藍(lán)三基色位置上反射率均提升約60%。本研究對(duì)改善和提升ChOH液晶材料的光電性能提供了有益的探索。