球状相液晶材料制备及其电光性能研究

Blue phase liquid crystal has fast response time owing to its double twist structure with small chiral pitch, has potential to be widely used in next generation liquid crystal device. However, several major technical challenges remain to be overcome before its device industrialization, such as low drive capability, hysteresis, residual birefringence, and the complex fabrication process of device. This project will propose a novel liquid crystal material system- sphere phase liquid crystal (SPLC) and liquid crystal device with microsecond response time, high drive capability, high optical efficiency, and high contrast ratio. The research focus on: (1) obtaining the fabrication method of sphere phase liquid crystal (SPLC) with wide temperature range; (2) studying the influence of polymer material, dye, and nanoparticles on the electro-optic properties of SPLC device, obtaining SPLC device with high contrast ratio, hysteresis free, no residual birefringence, and high drive capability; propose a physical model to accurately show the electro-optic properties of SPLC device by analyzing the physical parameters effect on the electro-optic properties of SPLC device; (3) studying the influence of polymer material, dye dopant and nanoparticles dopant (quantum dot material) on the thermal stability and optical properties of SPLC to obtain its internal periodic structure. This project can also cultivate young teachers and professional talents, facilitate the development of liquid crystal material and device industry by researching the properties of SPLC material and device.

蓝相液晶因为其小螺距双螺旋结构而具有微秒级的响应速度，有望在新一代液晶器件中得到广泛应用。由于驱动能力低、磁滞效应、残余双折射、器件制造工艺复杂等问题使蓝相液晶器件难以实现产业化。本项目拟制备获得具有小螺距的稳定液晶材料体系-球状相液晶，构建具有微秒级响应速度、高光学效率、高驱动能力和高对比度的新型液晶器件。本项目拟研究：（1）获得宽温域稳定存在的球状相液晶材料的制备方法；（2）研究聚合物材料、染料和纳米粒子对其器件电光性能的影响，获得高对比度、无磁滞、无残余双折射和高驱能力的液晶器件结构；分析影响球状相液晶器件电光特性的各个因素，构建能够精确描述球状相液晶器件电光性能的物理模型；（3）研究染料掺杂和纳米颗粒掺杂（量子点材料）对球状相液晶热稳定性和光学性能的影响，探索球状相液晶内部的周期性结构。通过对球状相液晶材料及其器件特性的研究还可以培养青年教师和专业人才，促进我国液晶产业的发展。

本项目的研究是基于聚合物稳定液晶材料体系，开发具有快速响应、高驱动能力、光学效率、制备工艺简单的新型液晶器件。在本项目的资助下: (1) 通过对快速响应聚合物稳定液晶材料的研究，已经获得了宽温域内稳定存在的聚合物稳定球状相液晶材料体系，液晶球状相稳定存在的温度范围拓宽到-20 oC- 80 oC，响应速度达到350 μs。通过分析液晶材料和器件物理参数对球状相液晶器件电光特性的影响，基于异常散射理论模型，提出了描述聚合物稳定球状相液晶器件电光曲线的物理模型，为改善球状相液晶器件电光特性奠定了理论基础，根据该模型有望将其驱动电场强度降低到2.5 V/μm，对比度提高到1000:1以上; (2) 基于球状相液晶三维扭曲球状结构与它们之间的缺陷之间的折射率不同引起的特殊的散射机制，本项目提出了一种相位和振幅同时调控的液晶光栅，并且该光栅具有偏振无依赖性，此研究在提高光信息存储量具有重要额意义。本项目利用直流信号和交流信号联合调控实现了一种双周期可调的快速响应液晶相位光栅，利用香蕉型液晶材料的铁电效应制备了一种光栅常数连续可调的液晶光栅。（3）本项目通过纳米掺杂的方法研究了纳米粒子也液晶之间的相互作用，因为纳米颗粒可以吸附液晶材料里多余的粒子，降低液晶材料的粒子浓度，可以有效降低液晶器件的响应速度和抑制显示器件的图像残留现象。（4）基于球状相液晶特殊的结构，利用染料掺杂的方法，本项目制备了聚合物稳定球状相液晶激光器，该激光器具有较低的阈能和半高宽，并且输出激光依赖于泵浦光的偏振特性，此项研究对于改善液晶激光器光学特性具有极其重要的指导意义。.在本项目的支持表，发表期刊论文16篇，其中SCI期刊论文12篇；会议论文14篇，申请中国专利3项，授权2项；培养青年教师3人晋级高级职称，培养硕士研究生4人。