專利名稱：向列液晶薄膜的制備及其中高分辨瞬態(tài)光柵的記錄方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高分辨率向列液晶存儲器件和液晶薄膜中的瞬態(tài)光柵技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
由于向列液晶分子在電場的作用下極易重新取向，使得光折變液晶器件在極弱的電場 作用下便能產(chǎn)生很強(qiáng)的折射率光柵，故自1994年以來液晶光折變材料引起了人們廣泛的關(guān) 注。更令人興奮的是這種材料的高敏感性，即液晶中的光折變光柵能夠在幾十微瓦每平方 厘米的泵浦光強(qiáng)下取得，這使得液晶的非線性折射率改變系數(shù)能夠達(dá)到幾十的量級。
但是低摩爾質(zhì)量向列液晶系統(tǒng)也存在很大的不足，根據(jù)Rudenko與Khoo的報(bào)道可知 由于離子復(fù)合問題，向列液晶系統(tǒng)只有在大的光柵間距下(一般在十幾微米到幾十微米) 才能有明顯的光折變響應(yīng)，且在光柵間距約等于兩倍的液晶薄膜厚度時(shí)液晶體內(nèi)的取向響 應(yīng)才最佳。1999年，Wiederrecht首次通過外加一強(qiáng)的磁場的方法在厚度為176|xm的低摩爾 質(zhì)量向列液晶薄膜中觀察到了光柵間距小到3.7pm的光折變光柵。他的實(shí)驗(yàn)中所使用的外 加磁場的大小為0.3T，其中外加大的磁場使得能夠制備出有序的、較厚的液晶薄膜而有利 于提高液晶樣品的分辨率。最近， 一些研究者提出了利用光折變晶體作為基底來制備液晶 盒的方法在向列液晶薄膜中記錄高分辨率光柵。他們認(rèn)為晶體中產(chǎn)生的空間電荷場能夠穿 透到向列液晶薄膜中，在該空間電荷場的作用下向列液晶分子會產(chǎn)生取向效應(yīng)從而放大初 始于晶體中產(chǎn)生的光折變光柵。
本發(fā)明采用光電導(dǎo)聚合物薄膜作為取向?qū)又苽淞讼蛄幸壕Ш?，在大的外加電壓作用?該光電導(dǎo)聚合物層中將會產(chǎn)生與光強(qiáng)空間分布相對應(yīng)的空間電荷場。該空間電荷場會(通 過倏逝波)滲透到液晶薄膜中并驅(qū)動液晶分子取向，從而在液晶薄膜中能夠產(chǎn)生分辨率高 達(dá)0.6jam的瞬態(tài)光折變光柵。當(dāng)光柵間距為2.3pm時(shí)，向列液晶系統(tǒng)能夠記錄壽命可調(diào)、 峰值強(qiáng)度相同的瞬態(tài)光柵。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠記錄分辨率高達(dá)0.6pm的瞬態(tài)光折變光柵的向列液晶 器件，這種成本低廉且易于與電子器件集成的液晶器件在高分辨率信息的瞬態(tài)存儲等信息 處理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明的具體制備過程如下
1) 在聚乙烯咔唑(Poly(N-vinylcarbazole)， PVK)白色粉末中摻雜質(zhì)量百分比為1/300
的C6()，然后將摻雜C6o的PVK材料溶入甲苯和環(huán)己酮的混合溶劑中形成均勻的、 呈褐紅色的溶液；
2) 利用超聲波清洗儀將ITO (氧化錫銦，indkim-tin-oxide)玻璃基底分別用丙酮和去 離子水多次清洗后，用烘箱將其烘干；
3) 利用滴管將摻雜C6o的PVK溶液滴置到清潔的ITO導(dǎo)電玻璃上通過旋涂的辦法成 膜，旋涂成膜后使樣品中的溶劑充分蒸發(fā)掉后就制備出經(jīng)由光電導(dǎo)層改性的ITO電 極；
4) 將PVK光電導(dǎo)層改性的ITO電極經(jīng)由表面定向摩擦處理后與一塊清潔的、未經(jīng)任 何表面處理的ITO玻璃利用聚酯墊片隔開，然后用環(huán)氧膠將留出幾十微米厚間隙的 兩塊ITO玻璃相互平行的兩個(gè)端面粘合起來制備出一種非對稱的盒；
5) 通過毛細(xì)力將向列液晶灌入上述的非對稱盒就可制備出光學(xué)質(zhì)量良好的液晶盒。 其中，取向?qū)邮墙?jīng)由表面定向摩擦處理后的、利用旋涂法制備而成的十到百納米厚的
光電導(dǎo)聚合物薄膜，典型的液晶薄膜厚度為幾十微米。
本發(fā)明的另一目的在于提供向列液晶薄膜中高分辨瞬態(tài)光柵的記錄方法，a)液晶盒表 面法線與兩束記錄光之間的角平分線的夾角不為零，使得外加直流電壓能夠在干涉條紋的 波矢方向產(chǎn)生分壓，從而能夠在光電導(dǎo)聚合物薄膜中產(chǎn)生與光強(qiáng)分布相對應(yīng)的空間電荷場； b)該高分辨率的空間電荷場將會穿透到向列液晶薄膜中驅(qū)動液晶分子重新取向而建立的折 射率光柵。
其中，提供兩束相干記錄光的激光器可以為光電導(dǎo)聚合物敏感的任意波長的激光器。 本發(fā)明的光學(xué)質(zhì)量良好的、PVK光電導(dǎo)聚合物取向?qū)訛?0.5pm、液晶薄膜厚度為幾十 微米的向列液晶盒能夠承受的最大的外加電壓大約在450-500V，高于該電壓時(shí)該樣品就會 被擊穿；該樣品在480-630nm這一波段的反射、吸收和散射引起的損耗系數(shù)較低(光學(xué)質(zhì) 量良好的樣品的損耗系數(shù)通常低于20cm—"。利用圖l所示的二波耦合實(shí)驗(yàn)光路，在液晶盒 表面法線與兩束記錄光之間的角平分線的夾角不為零的情況下兩束相干的p偏振記錄光可 以通過外加較大的直流電壓于液晶薄膜中產(chǎn)生光柵間距小至0.6pm的瞬態(tài)光折變光柵。固 定光柵間距為2.3|im，上述的液晶盒能夠在幾十伏到幾百伏(~400V)的范圍內(nèi)能夠記錄一 階衍射效率峰值為~20%、壽命隨外加電壓的增加按e指數(shù)關(guān)系衰減的瞬態(tài)光柵。這種能夠 記錄壽命可調(diào)、峰值強(qiáng)度相同的瞬態(tài)光柵的向列液晶系統(tǒng)在光學(xué)信息處理、傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
(四)


圖1給出了本發(fā)明的利用光電導(dǎo)聚合物薄膜作為取向?qū)拥姆菍ΨQ液晶盒及其二波耦合 光路示意圖。
具體實(shí)施方式
下面舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
1. PVK光電導(dǎo)聚合物薄膜為取向?qū)拥姆菍ΨQ液晶盒的制備
第一歩在PVK白色粉末中摻雜質(zhì)量百分比為1/300的C6Q，然后將摻雜C6。的PVK材
料溶入甲苯和環(huán)己酮的混合溶劑中，其中甲苯和環(huán)己酮的重量比為3:1，溶質(zhì)和溶劑的重量 比為8:1;
第二步將溶液放置幾小時(shí)之后，少量的C60和PVK溶解到溶劑中，溶液呈淺紫色；
為了加速溶解C6o和PVK，手工對溶液進(jìn)行攪拌，手工攪拌3小時(shí)以上C6G和PVK就會完
全溶解于溶劑中，形成均勻的、呈褐紅色的溶液；
第三步利用超聲波清洗儀將厚度為l.lmm、面積為2x2.5cn^的ITO玻璃l分別用丙 酮和去離子水多次清洗后，用烘箱將其烘干；
第四步利用滴管將均勻的、呈褐紅色的摻雜C6。的PVK溶液滴置到清潔的ITO導(dǎo)電 玻璃上通過旋涂的辦法成膜，旋涂成膜后立刻將樣品放置于烘箱中于120。C烘干10小時(shí)， 使樣品中的溶劑充分蒸發(fā)掉后就制備出經(jīng)由光電導(dǎo)層2改性的ITO電極。
第五步將PVK光電導(dǎo)聚合物膜改性的ITO電極經(jīng)由表面定向摩擦處理后與一塊清潔 的、未經(jīng)任何表面處理的ITO玻璃1利用聚酯墊片隔開，然后用環(huán)氧膠將留出幾十微米厚 間隙的兩塊ITO玻璃相互平行的兩個(gè)端面粘合起來，放置24小時(shí)后環(huán)氧膠將完全凝固，從 而制備出一種非對稱的盒；
第六步在室溫下將向列液晶E7(E7是共晶液晶混合物，其由質(zhì)量百分比分別占51%、 25%、 16%和8%的分子形狀均為棒狀的液晶5CB、 K21、 M24和T15混合而成，熔點(diǎn)和清 亮點(diǎn)分別為-10。C和61。C)通過毛細(xì)力灌入上述的非對稱盒就可制備出光學(xué)質(zhì)量良好的液晶 盒，結(jié)合圖l，液晶薄膜3在ITO玻璃l之間。
2. 向列液晶樣品中高分辨率瞬態(tài)光柵的記錄及其特性
記錄光^和/2是經(jīng)由Ar+激光器發(fā)出的波長為488nm的兩束相干光，二者以夾角a相交 于液晶盒上，從而在液晶薄膜中產(chǎn)生空間周期分布的強(qiáng)度分布圖樣(即在液晶薄膜中產(chǎn)生的光柵對應(yīng)的光柵間距為J-;i/[2sin(a/2)])。樣品的法線與兩束記錄光的角平分線的夾角
-為45°。在樣品前兩束記錄光的功率均為5mW，且在樣品處兩束光的光斑直徑為2.5mm。
液晶薄膜兩端施加的直流電壓是由電壓可調(diào)的直流電壓源通過兩塊ITO電極加載的。
固定兩束記錄光為p偏振光，在《 = 30°時(shí)(即光柵間距為0.6^m時(shí))樣品中可以記錄 瞬態(tài)光柵，即在0時(shí)刻開始記錄光柵以后一階衍射效率將隨著記錄時(shí)間的增加而迅速增加， 增加到極大值以后開始隨著記錄時(shí)間的繼續(xù)增加而快速減小，最終趨于O。而兩束s偏振的 記錄光不能在液晶薄膜中記錄光柵。另外，在"=0或外加直流電壓為零的情況下液晶樣品
中也不能記錄光柵。以上現(xiàn)象說明液晶樣品中記錄的瞬態(tài)光柵為光折變光柵。
為了便于實(shí)驗(yàn)光路擺放，固定兩束記錄光為p偏振光、a = 12° (對應(yīng)的寫入光柵的光
柵間距為」s2.3nm)，研究了液晶薄膜厚度分別為20nm、 40pm和6(^m的樣品中產(chǎn)生的
瞬態(tài)光折變光柵在不同外加電壓下的動態(tài)演化特征。初始，瞬態(tài)光柵的最大一階衍射效率 隨著外加電壓的增加而增加，之后基本上達(dá)到穩(wěn)定而不再隨著外加電壓變化，其中最大一 階衍射效率為~20%。隨著外加電壓的增加，光柵從開始記錄到其一階衍射效率達(dá)到最大值 所需的時(shí)間以及從一階衍射效率取最大值時(shí)到光柵基本被自擦除完所需的時(shí)間都將不斷縮 短。這里定義瞬態(tài)光柵的壽命為一階衍射效率隨光柵記錄時(shí)間不斷增加的過程中一階衍射 效率增加到最大衍射效率的一半時(shí)到自擦除過程中一階衍射效率下降到最大衍射效率的一
半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。根據(jù)三種液晶樣品中瞬態(tài)光柵的動態(tài)變化特性，發(fā)現(xiàn)在外加直流電 壓從幾十伏到幾百伏(~400V)的范圍內(nèi)變化時(shí)，瞬態(tài)光柵的一階衍射效率峰值均保持在 ~20%，而瞬態(tài)光柵的壽命基本上以e指數(shù)的形式隨電壓從 100ms向 10ms衰減。
權(quán)利要求
1.一種向列液晶器件的制備方法，其特征是1)在聚乙烯咔唑白色粉末中摻雜質(zhì)量百分比為1/300的C60，然后將摻雜C60的PVK材料溶入甲苯和環(huán)己酮的混合溶劑中形成均勻的、呈褐紅色的溶液；2)利用超聲波清洗儀將ITO玻璃基底分別用丙酮和去離子水多次清洗后，用烘箱將其烘干；3)利用滴管將摻雜C60的PVK溶液滴置到清潔的ITO導(dǎo)電玻璃上通過旋涂的辦法成膜，旋涂成膜后使樣品中的溶劑充分蒸發(fā)掉后就制備出經(jīng)由光電導(dǎo)層改性的ITO電極；4)將PVK光電導(dǎo)層改性的ITO電極經(jīng)由表面定向摩擦處理后與一塊清潔的、未經(jīng)任何表面處理的ITO玻璃利用聚酯墊片隔開，然后用環(huán)氧膠將留出幾十微米厚間隙的兩塊ITO玻璃相互平行的兩個(gè)端面粘合起來制備出一種非對稱的盒；5)通過表面張力作用將向列液晶灌入上述的非對稱盒就可制備出光學(xué)質(zhì)量良好的液晶盒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶薄膜樣品，其特征在于取向?qū)邮墙?jīng)由表面定向摩擦處理后 的、利用旋涂法制備而成的10-999納米厚的光電導(dǎo)聚合物薄膜，典型的液晶薄膜厚度為 10-99微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向列液晶器件中高分辨率光折變光柵的記錄方法，其特征在于a)液晶盒表面法線與兩束記錄光之間的角平分線的夾角不為零，使得外加直流電壓能夠在 干涉條紋的波矢方向產(chǎn)生分壓，從而能夠在光電導(dǎo)聚合物薄膜中產(chǎn)生與光強(qiáng)分布相對應(yīng)的 空間電荷場；b)該高分辨率的空間電荷場穿透到向列液晶薄膜中驅(qū)動液晶分子重新取向而 建立折射率光柵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的向列液晶器件中高分辨率光折變光柵的記錄方法，其特征在于 記錄光/^卩厶是經(jīng)由Ar+激光器發(fā)出的波長為488nm的兩束相干光，二者以夾角"相交于液晶盒上，從而在液晶薄膜中產(chǎn)生空間周期分布的強(qiáng)度分布圖樣，即在液晶薄膜中產(chǎn)生的光 柵對應(yīng)的光柵間距為」=々[2Sin("/2)]，向列液晶器件的法線與兩束記錄光的角平分線的夾角"為45°，在向列液晶器件前兩束記錄光的功率均為5mW，且在向列液晶器件處兩束光的光斑直徑為2.5mm，液晶薄膜兩端施加的直流電壓是由電壓可調(diào)的直流電壓源通過兩塊 ITO電極加載的；固定兩束記錄光為/7偏振光，在"=30°時(shí)，即光柵間距為0.6(im時(shí)向列液晶器件中可以記錄瞬態(tài)光柵，即在0時(shí)刻開始記錄光柵以后一階衍射效率將隨著記錄時(shí) 間的增加而迅速增加，增加到極大值以后開始隨著記錄時(shí)間的繼續(xù)增加而快速減小，最終 趨于0。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的向列液晶器件中高分辨率光折變光柵的記錄方法，其特征在于提供兩束相干記錄光的激光器可以為光電導(dǎo)聚合物敏感的任意波長的激光器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種向列液晶器件的制備及其中高分辨瞬態(tài)光柵的記錄方法。該向列液晶器件是利用聚乙烯咔唑(Poly(N-vinylcarbazole)，PVK)光電導(dǎo)聚合物薄膜作為取向?qū)又苽涠傻南蛄幸壕Ш?。空間調(diào)制的光輻照可以在光電導(dǎo)聚合物薄膜中形成高分辨率空間電荷場，該場能夠穿透到向列液晶薄膜中驅(qū)動液晶分子重新取向并建立高分辨的折射率光柵。該液晶薄膜在幾十伏到幾百伏(～400V)的范圍內(nèi)能夠記錄一階衍射效率峰值為～20％、壽命隨外加電壓的增加按e指數(shù)關(guān)系衰減的瞬態(tài)光柵。這種能夠記錄壽命可調(diào)、峰值強(qiáng)度相同的瞬態(tài)光柵的向列液晶系統(tǒng)在光學(xué)信息處理、傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G02F1/13GK101299104SQ20081006473
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者姚鳳鳳, 孫秀冬, 裴延波 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)