弯曲形液晶在光场诱导下的非线性周期结构及其输运模型的研究

In this project, the static and dynamic behaviors of nonlinear patterns in bent-core nematic (BCN) liquid crystals (LC) are investigated under the excitation of various optical fields, which reveals a different microscopic transport process other than traditional rodlike LC. Due to a peculiar V shape molecular structure and flexible core, BCN LC exhibits a host of specific properties while absent in rodlike LC, such as the phase transition between biaxial and uniaxial nematic phase, giant flexoelectric effect, anomalous anisotropies of elastic constants, Blue Phases with wide temperature range, high conductivity and strong odd-even effect. These new phenomena show noticeable impacts on the transport processes, including the occurrence of electroconvection, and an abrupt change of transport parameters after phase transition, which consequently result in new kinds of patterns. We have preliminarily observed that under the excitation of uniform intensity light, optical-field-induced patterns occur in BCN, with corresponding morphologies determined by the electric transport properties of BCN and boundary conditions. Whereas in rodlike LC, this kind of patterns absent. Moreover, excited by periodic intensity light, BCN demonstrate fast pattern formation and decay processes, of which characterisic time is two orders of magnitude less than that of rodlike LC. It is anticipated that a wealth of pattern phenomena will be observed, and new effects and mechnisms in BCN LC can be well understood by probing the unusual behaviors of transport process.

本项目以新型的弯曲形液晶为研究对象，通过研究其在不同光场激发下形成非线性周期结构的动力学行为，揭示其独特的微观输运过程；并根据液晶新性质对输运行为的影响，建立弯曲形液晶的输运模型。与传统液晶具有长棒形的刚性分子结构相比，弯曲形液晶具有V型的分子结构以及柔性的分子核，带来很多新的物理性质，包括双轴到单轴向列相的相变、超大的挠曲电效应、反常的弹性各向异性、高电导率、宽蓝相温度以及分子结构的奇偶效应等。这些新效应会显著影响光生载流子在外场下的输运，比如出现电流体效应、液晶输运参数随不同的相态而突变等，从而形成新型的周期结构。我们前期观察到弯曲形液晶能在均匀光强激发下产生周期结构，其形貌由液晶性质和边界条件决定，相反在长棒形液晶中观察不到；还观察到弯曲形液晶在非均匀光强激发下形成周期结构的响应速度要比长棒形液晶快2个量级。因此通过探测特殊的输运行为及其形成的周期结构，能够探索新型液晶的工作机制。

我们使用新型的弯曲形液晶，通过探测其在光场和电场激发下形成周期微结构的动力学行为，理解其由于独特的分子结构引起的反常微观输运过程。按照研究计划，我们完成了如下工作：（1）光场诱导下具有双模工作方式的液晶光栅。通过使用具有光敏性的手性液晶材料，我们实现了一种双模工作的液晶光栅，可以按照外加直流电场的大小，分别具有动态和记忆功能。这种可操控的双功能光栅在光子器件领域有很好的潜在应用，能够实现在原位对光信息的不同处理；（2）周期光场诱导下的光控取向技术对弯曲形液晶的应用。我们使用了周期光场和偶氮材料对弯曲形液晶进行了取向周期分布的表面处理，并观察到在对称或非对称表面周期取向的影响下，弯曲形液晶会形成两种不同的周期缺陷阵列，包括电场诱导的或者自组装效应诱导的拓扑缺陷阵列；（3）利用脉冲光场探测弯曲形液晶的电输运性质。使用飞行时间探测技术，我们观察了弯曲形液晶中光生载流子的电输运过程，发现弯曲形液晶具有较高的光敏性和较快的迁移率，其微观机理来源于独特的V型分子结构；（4）液晶自组装周期畴的微观形成机理。我们观察到液晶能够在外加均匀电场的作用下借助于挠曲电效应、电致对流效应等自组装形成周期的微结构。通过我们自行开发的“光学时间-空间分辨技术”，我们能够监控周期畴结构的动力学形成过程与外加驱动电场之间的时间关系，从而推断畴结构的形成机理。这些工作的顺利完成，有助于我们对于弯曲形液晶物理性质的深入理解，以及将来对弯曲形液晶光子器件的开发应用。