胆甾相液晶织构光谱特性

王佳菱,杜 鑫,吕 加,于天池,范志新

(1.哈尔滨商业大学 基础科学学院,哈尔滨150028;2.大连交通大学 数理系,辽宁 大连,116028;3.河北工业大学应用物理系,天津300130)

胆甾相液晶是向列相液晶的一种特殊形式,现在还常用手性向列相来称呼它.把胆甾相液晶装在液晶盒内,一般说来会呈现平面织构、焦锥织构和场致向列相三种状态的织构[1-5].由于胆甾相液晶特殊的分子结构以及光学的各向异性,决定了它具有晶体的旋光性、偏振光二色性和它本身特有的可见光布拉格选择性反射等性质,因为胆甾相液晶具有特殊的光学性质使其在显示领域和光电子器件方面具有特殊的应用[6].研究胆甾相液晶的织构和光学性质无论是对于液晶物理理论和显示应用都具有一定的基础意义和实用价值.平面织构最容易实现,人们对胆甾相液晶的了解基本上是从对平面织构的研究中认识到的,对焦锥织构的认识是不清楚的,有些结论是联想过来的.这是由于制备大晶畴焦锥织构稳定样品的困难,小晶畴样品散射现象严重掩盖了其他性质,因而对于胆甾相液晶焦锥织构光学性质研究的报道不多.本文制备出了大晶畴焦锥态稳定样品,因此有条件进行胆甾相液晶织构光学性质的实验研究.

1 胆甾相液晶织构

胆甾相液晶处于哪种织构通常由螺距和边界条件等决定.一般条件下平面织构为稳定状态,施加电场可使液晶盒进入方格栅织构、焦锥织构和场致向列相以及一些瞬态等状态.

胆甾相液晶的平面织构是在液晶盒中,螺旋轴方向平均而言垂直于基板表面,而液晶分子的指向矢总是垂直于螺旋轴,平行于基板表面.对于胆甾相液晶的平面织构,当可见光垂直入射到液晶盒表面时,发生选择波长的布拉格反射,反射波长与胆甾相液晶双折射率的平均值和胆甾相液晶的螺距P的关系是:

波长带宽为:

如果不是垂直入射,入射角和反射角同为 θ时,反射波长为

在正交偏光场中观察平面态液晶盒呈布拉格反射光的补色.

当增加电场时胆甾相可以排列成方格栅织构:胆甾相液晶每一层平面的互相垂直的方向指向矢有周期性.缓慢的小幅度变化的波纹,叠加结果形成方格栅状图案.外电场电压小的UH扰动的结果,使螺旋平面微倾斜.

焦锥织构同平面织构一样,也有其固有的扭转螺距,但是在液晶盒中,螺旋轴方向在液晶盒内呈二维(或三维)随机分布,且液晶分子的指向矢方向总是与螺旋轴相垂直.由于在液晶盒中焦锥态总是多畴结构,晶畴又很小,一般仅有微米尺寸大小,光在晶界处因折射率的突变而造成光散射,使得焦锥态液晶盒看上去如同一片“毛玻璃”.在正交偏光场中观察焦锥态液晶盒,呈现一定的双折射干涉着色.偏光显微镜观察,会发现不同螺旋轴方向的液晶晶畴呈现不同的颜色,有非常丰富多彩又奇特的织构图案.

场致向列相只有在液晶盒处在外电场中才能看到,这种状态时没有了扭转,螺旋轴被解旋,而液晶分子的指向矢都垂直于基板表面.在正交偏光场中观察场致向列相液晶盒呈完全黑场.

电场引起织构突变的相变电压值,可以根据液晶的弹性形变的连续体理论进行计算,结果如下[5].

其中:k11、k22、k33分别为展曲 、扭曲、弯曲弹性常数,d为盒厚,P0为胆甾相液晶固有螺距,Δε为介电常数各向异性值.

长螺距的胆甾相液晶在电场作用下容易进入指纹织构,其条状指纹织构是很自然的电控光栅元件,用激光束入射会看到有规律的衍射效应.

2 实验部分

胆甾相液晶盒的盒厚d=6μm,液晶盒边界条件分2种,一种是采用低预倾角取向材料,以制备平面织构液晶盒;另一种是高预倾角取向材料,以制备焦锥织构液晶盒.灌注向列相液晶加手性剂配置的胆甾相液晶,螺距分别有P=3μm、P=0.44 μm和0.36μm,双折射差 Δn=0.15,平面织构时布拉格反射红光波长λ=0.66μm和绿光λ=0.66 μm.样品先经过热处理,放到干燥箱中升温到液晶清亮点温度,之后以不同的降温速度冷却到室温,快速降温得到小晶畴焦锥织构样品和平面织构样品,在比清亮点温度低几度温度下恒温数小时再降温到室温,得到大晶畴焦锥织构样品.用偏光显微镜观察样品的液晶织构,用数码相机拍摄各种织构的照片.用紫外可见光分光光度计测试样品的透射光谱.对几种样品施加电场,观测织构变化过程并测试不同电压下的透射光谱.

3 实验结果和讨论

图1给出胆甾相液晶平面织构与焦锥织构的偏光显微镜照片.图2给出用分光光度计测试的螺距P=0.44μm的几种胆甾相液晶不同织构的透射光谱.图3给出的是加电场螺距P=0.36μm的胆甾相液晶平面织构向场致向列相转变过程呈现不同织构的透射光谱.

图1 胆甾相液晶平面结构与焦锥织构的偏光显微镜照片

由于照片是用透射光拍摄的,所以平面织构呈补色颜色.从图1(A)可以看到平面织构晶畴很大,晶界向错线为细线条,起保持盒厚均匀作用的衬垫料小珠子往往是晶界线的起点和终点.从图1(B)可以看到,小晶畴的焦锥织构样品,晶畴尺寸很小,在微米水平.图1(C)表现的是大晶畴的焦锥织构样品,晶畴尺寸在数十到上百微米水平.图1(D)表现的是场致向列相照片,正交偏光场则会看到的是完全暗场.图1(E)表现的是长螺距电致指纹织构样品,不加电场时是平面织构,加电场看到指纹线一条接一条地生成,直到充满整个视场.这种指纹线的宽度等于半个螺距,是直接测试胆甾相液晶螺距的一种方法.继续增加电场会看到指纹线再一条接一条地消失,原地转变为场致向列相,没有螺距随电压增加而变长的现象.图1(F)表现的是大晶畴的焦锥织构样品加电压,原来光滑均匀的织构上出现了随电压变化的条纹.

从图2(A)的透射光谱曲线可以看到,平面织构时,由于布拉格反射现象,透射光谱在(0.660±0.035)μm范围出现最低值,表明布拉格选择反射光波长满足关系,反射光波长带宽满足关系 Δλ=ΔnP.另外最低值不为零,原因是胆甾相液晶的螺旋结构有左手性和右手性之分,使可见光布拉格选择反射还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会很低.从图2(B)可以看出,小晶畴的焦锥织构样品由于散射严重,透射光谱强度比较弱,但也不是一致的弱,在兰光450 nm波长处却有比较高的透光率,对红光的透光率比较低.图2(C)表明,大晶畴的焦锥织构样品在可见光范围是还比较透明的,这一点与以往人们对焦锥织构光学性质的认识是不同的.在以往的研究报道中提起焦锥织构,认为就是光的散射[2-3].其实大晶畴焦锥织构还具有双折射等光学性质,有待于人们进一步深入研究并加以应用.图2(D)表明,进入完全场致向列相的胆甾相液晶盒样品的透光性已经很好,没有多少散射损失.

图2 几种胆甾相液晶不同织构光谱

图3 胆甾相液晶平面织构向场致向列相转变过程透射光谱

图3(A)表明螺距P=0.36μm的胆甾相液晶平面织构时具有布拉格反射现象,与图2(A)的区别在于反射波长中心位置不同.图3(B)表明,加电场平面织构被破坏,大的平面织构晶畴变成细碎的三维焦锥织构小晶畴,对光的散射很严重,透射光谱强度比较弱.图3(C)表明,继续增加电压焦锥织构晶畴有所长大,变成二维性的焦锥织构,但电场短时间内驱动生成的晶畴仍然不够大,对光的散射现象仍然很严重.在对液晶盒直接观察就能看到一加上电场,原来呈绿色的液晶盒马上变成了“毛玻璃”.图3(D)表明,当外加电场达到场致向列相电压时,液晶盒又变得比较透明,这时的透射光谱强度比较高.

4 结 语

胆甾相液晶具有特殊的光学性质,在液晶显示和光电子器件领域有十分特殊的应用.晶畴焦锥织构样品以光散射为主要特点,大晶畴焦锥织构样品和场致向列相样品却有比较好的透光性.对于研究其电光性质具有重要的意义.

[1]李昌立,孙 晶,蔡红星,等.胆甾相液晶的光学特性[J].液晶与显示,2002,17(3):193-198.

[2]杨登科.双稳态螺旋相液晶显示器[J].现代显示,1994(1):17-23.

[3]才 勇,黄锡珉,马 凯.双稳反射式螺旋相液晶显示器[J].液晶与显示,1997,12(3),196-205.

[4]产启林.胆甾相液晶在彩色显示技术中的应用[J].现代显示,2004(5):17-22.

[5]施善定.液晶与显示应用[M].上海:华东华工学院出版社,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.