一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有金屬納米顆粒陣列結構的液晶盒的制備方法，可制作基于光電調控的新型液晶顯示器和光電傳感器，屬于光電技術領域。本發(fā)明基于納米結構極化構型、分子構型匹配和金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振(LSPR)原理，利用激光倏逝駐波聚焦沉積技術，制備極化固定的金屬納米顆粒陣列，即液晶盒的單側基片。利用該單側基片制作液晶盒，可通過電極間電壓調控液晶分子的排布取向，從而調控金屬納米顆粒陣列結構的各向異性LSPR，進而調控液晶盒的光譜響應和光電特性。該納米陣列結構液晶盒制備方法有助于為新型光電顯示技術、納米表征技術和傳感器技術提供新原理和新方法。
【專利說明】
一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于光電技術領域，具體涉及一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法。
【背景技術】
[0002]當光線入射到由貴金屬構成的納米顆粒上時，如果入射光子頻率與貴金屬納米顆粒或金屬島傳導電子的整體振動頻率相匹配時，納米顆粒或金屬島會對光子能量產(chǎn)生很強的吸收作用，就會發(fā)生局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)現(xiàn)象。LSPR是金屬納米結構非常獨特的光學特性，基于LSPR的納米結構體系的研究已經(jīng)形成了國際上迅猛發(fā)展的熱門研究領域之一，即納米表面等離子體光子學，它是一門研究納米材料與物質相互作用的新興學科。
[0003]金、銀、鉑等金屬納米顆粒在紫外可見光波段展現(xiàn)出很強的光譜吸收，從而可以獲得LSPR光譜。該吸收光譜峰值處的吸收波長取決于該材料的微觀結構特性，例如組成、形狀、結構、尺寸、局域傳導率。因此，獲得LSPR光譜，并對其進行分析，就可以研究納米顆粒的微觀組成。同時，LSPR吸收譜還對周圍介質極其敏感，因此可以作為基于光學信號的化學傳感器和生物傳感器。基于LSPR現(xiàn)象的傳感器可以實現(xiàn)無需標記、無污染、實時、高靈敏度的檢測，廣泛應用于藥物研究、生物檢測、細胞標記、定點診斷、分子動力學研究及疾病診斷等方面。
[0004]在眾多常用的激勵-響應材料中，液晶由于其顯著的光電效應和在外界激勵下的相態(tài)之間的轉變而受到人們的廣泛關注。作為非常出色的光電活性絕緣介質，它在顯示器、光學周期性結構和色彩可調聚合物光柵中有著重要的作用。將金屬納米結構浸在液晶中，其LSPR性能可以通過控制液晶光學性質來進行調控，進而可以實現(xiàn)這種金屬納米結構?液晶耦合光學器件在顯示領域和可調電光器件方面的應用。
[0005]制備金屬納米顆粒陣列的方法有很多，如化學沉積和化學刻蝕制備法。但制約這種方法的因素有:試劑濃度、反應溫度和沉積時間等，這些因素導致其可控性差，表面顆粒分布不均勻、結構不可控，最終對沉積膜的表面形貌造成很大的影響。再如平板印刷制備法。該方法能夠制備出具有周期性結構的金屬納米陣列，還能控制陣列表面形貌，而且能夠控制納米顆粒的大小、形狀及間距等參數(shù)。但其工藝復雜、成本高、使用不便。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明提供了一種具有金屬納米顆粒陣列結構的液晶盒的制備方法，可制作基于光電調控的新型液晶顯示器和光電傳感器。本發(fā)明以研制高效、低廉和高靈敏度的具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒為目的，基于納米結構極化構型、分子構型匹配和金屬納米顆粒的LSPR原理，利用激光倏逝駐波聚焦沉積技術，制備極化固定的金屬納米顆粒陣列;然后利用沉積了金屬納米顆粒陣列的棱臺上表面作為單側基板制作液晶盒，可通過電極間電壓調控液晶分子的排布取向，從而調控金屬納米顆粒LSPR的響應，進而調控液晶盒的光譜響應和光電特性。該納米陣列結構液晶盒制備方法有助于為新型光電顯示技術、納米表征技術和傳感器技術提供新原理和新方法，是制造高品質液晶類光電子器件的一項重大突破。
[0007]本發(fā)明具體采用的技術方案:
[0008]一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，具體包括以下步驟:
[0009]步驟1.制備金屬納米顆粒膠體溶液
[0010]利用光化學還原法制備直徑為20±5nm金屬納米顆粒膠體溶液；
[0011]步驟2.在倒置的正四玻璃棱臺上表面鍍ITO導電薄膜
[0012]利用電子束蒸發(fā)法在倒置的正四玻璃棱臺的上表面鍍一層厚度為10?10nm的ITO導電薄膜；
[0013]步驟3.激光倏逝駐波聚焦沉積納米顆粒
[0014]步驟3-1.構建線陣列單一方向沉積的金屬納米顆粒激光倏逝駐波場:將滿足干涉條件的兩束激光分別于倒置的正四玻璃棱臺相對的兩側面相向入射，且兩束激光的入射角相等，調節(jié)兩束激光的入射角使得二者于倒置正四玻璃棱臺上表面內側相同位置發(fā)生全反射，形成倏逝駐波，此時兩束激光全反射形成的光斑完全重合；
[0015]構建點陣列沉積的金屬納米顆粒激光倏逝駐波場:構建正交的兩激光倏逝駐波，此時四束激光在正四玻璃棱臺上表面內側相同位置發(fā)生全反射，光斑重疊處光場矢量疊加；
[0016]步驟3-2.在所述倒置正四玻璃棱臺上表面的光斑處滴加步驟I中已配制好的金屬納米顆粒膠體溶液，且膠體溶液覆蓋整個光斑區(qū)域，再用蓋玻片蓋壓在膠體溶液上，保證激光持續(xù)輻照直至正四玻璃棱臺上表面沉積的銀納米顆粒厚度為10?60nm時停止激光輻照；
[0017]步驟3-3.去掉蓋玻片，將沉積樣品經(jīng)去離子水清洗后即得到金屬納米顆粒陣列；
[0018]步驟4.制備液晶盒
[0019]在ITO玻璃基板的導電面上旋涂一層聚合物PI_2555(聚酰亞胺)，通過定向擦拭以產(chǎn)生液晶分子單方向矢量的邊界狀態(tài);再用摻有相同直徑的二氧化硅小球的紫外固化膠將ITO玻璃基板與金屬納米陣列結構表面相粘合以形成液晶盒腔體，其中ITO導電面為內表面，然后將電極引線分別焊接在ITO玻璃基板和棱臺的導電面上，最后使用針孔注射器向液晶盒內注射向列相液晶，金屬納米陣列結構液晶盒制作完成。
[0020]步驟2所述的倒置正四玻璃棱臺上表面所鍍的ITO導電薄膜厚度為10?lOOnm，當入射激光波長為530?533nm時，導電薄膜折射率與正四玻璃棱臺折射率相同。
[0021]步驟3所述的干涉條件具體指同一方向的兩束激光的頻率相同、相位差恒定、振動方向一致。正交方向的激光束頻率相同、相位差恒定、振動方向正交。
[0022]步驟3-2所述的激光輻照持續(xù)時間為5?8mins，單路光束功率為10?120mw。
[0023]步驟4所述的二氧化硅小球直徑為10?50μπι，紫外固化膠為Ν0Α-65，向列相液晶為5〇8(4-氰基-4’-戊基聯(lián)苯)。
[0024]所述正四玻璃棱臺在使用前應依次放入酒精和重鉻酸鉀溶液中使用超聲波清洗儀清洗，使其潔凈。
[0025]進一步的，所述金屬可以為銀、金、鈀。
[0026]進一步的，所述激光為TE偏振激光。
[0027]進一步的，步驟I所得的膠體溶液的納米顆粒為球形或橢球形。
[0028]進一步的，所述正四玻璃棱臺采用的玻璃材質折射率為1.8?2.1、粗糙度小于0.Ο?μπι，通透性高于99.5%。
[0029]本發(fā)明的有益效果
[0030]本發(fā)明提供的金屬納米顆粒陣列基于納米結構極化構型與分子構型匹配原理，利用激光倏逝駐波聚焦沉積技術，制備極化固定的金屬納米顆粒陣列，再以該陣列為液晶盒的一側基片，然后裝配具有金屬納米顆粒陣列結構的液晶盒。按本發(fā)明方法制備的金屬納米顆粒陣列液晶盒，陣列結構具有極化排布取向一致、均勻分布、顆粒間隙小，顆粒整體排布成光柵結構成功實現(xiàn)多層周期結構特點，依據(jù)金屬納米顆粒陣列結構與液晶之間的近場響應，可實現(xiàn)局域各向異性LSPR，實現(xiàn)液晶盒的可控光譜響應和光電調控功能。該方法納米陣列結構中納米顆粒與棱臺表面連接牢固，更好的保證了結構的穩(wěn)定性、可靠性和可重復性。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0032]圖2為制備金屬納米顆粒線陣列光路圖和激光倏逝駐波形成及沉積示意圖；
[0033]圖3為金屬納米顆粒線陣列的激光聚焦沉積示意圖；
[0034]圖4為金屬納米顆粒點陣列的激光聚焦沉積示意圖；
[0035]圖5為液晶盒裝配圖。
【具體實施方式】
[0036]—種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其流程如圖1所示，包括以下步驟:
[0037]步驟1.金屬納米顆粒膠體溶液制備
[0038]利用光化學還原法制備直徑為22nm金屬納米顆粒膠體溶液；
[0039]步驟2.在倒置的正四玻璃棱臺上表面鍍ITO導電薄膜
[0040]如圖2(a)所示，利用電子束蒸發(fā)法在倒置的正四玻璃棱臺的上表面鍍一層致密的厚度為70nm的ITO導電薄膜，其中正四玻璃棱臺的材料為高折射率的火石玻璃，上表面邊長為30mm，高為20mm，四個側面與上表面夾角為50° ;
[0041 ]步驟3.激光倏逝駐波聚焦沉積納米顆粒
[0042]本發(fā)明采用的激光倏逝駐波沉積金屬納米顆粒線陣列系統(tǒng)如圖2(a)所示，BS為擴束準直鏡組，PBS為功率分光棱鏡，Ml/M2/M3為反射鏡，其中LBE為擴束鏡。
[0043]步驟3-1構建金屬納米顆粒線陣列單一方向沉積的激光倏逝駐波場。讓滿足干涉條件的光強為SOmW的兩束激光分別于上述玻璃正四玻璃棱臺相對的兩側面相向入射，調節(jié)兩束激光的入射角，使得兩束激光的入射角均為50°，二者于倒置正四玻璃棱臺上表面內側相同位置發(fā)生全反射，在棱臺上表面形成倏逝駐波。激光倏逝駐波的形成及金屬納米顆粒沉積過程如圖2(b)所示；
[0044]步驟3-2在所述倒置正四玻璃棱臺上表面的光斑處滴加步驟I中已配制好的金屬納米顆粒膠體溶液，且膠體溶液覆蓋整個光斑區(qū)域，再用蓋玻片蓋壓在膠體溶液上。保證所述激光持續(xù)福照直至正四玻璃棱臺上表面沉積的銀納米顆粒陣列厚度為50nm時停止激光輻照；
[0045]步驟3-3去掉蓋玻片后，將沉積樣品經(jīng)去離子水清洗后即得金屬納米顆粒陣列。金屬納米顆粒線陣列結構如圖3所示。
[0046]步驟4.制備金屬納米顆粒陣列液晶盒
[0047]在ITO玻璃基板的導電面上旋涂一層聚合物PI_2555(聚酰亞胺)，通過定向擦拭以產(chǎn)生液晶分子單方向矢量的邊界狀態(tài)。再用摻有相同直徑為30μπι的二氧化硅小球的紫外固化膠Ν0Α-65將ITO玻璃基板與金屬納米陣列結構表面相粘合以形成一個縫隙為30μπι的液晶盒腔體，其中ITO導電面為內表面。然后將電極引線分別焊接在ITO玻璃基板和棱臺的導電面上。最后使用針孔注射器向液晶盒內注射向列相液晶如5CB，金屬納米陣列結構液晶盒制作完成，結構如圖5所示。
【主權項】
1.一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，具體包括以下步驟: 步驟1.制備金屬納米顆粒膠體溶液 利用光化學還原法制備直徑為20 ± 5nm金屬納米顆粒膠體溶液； 步驟2.在倒置的正四玻璃棱臺上表面鍍ITO導電薄膜 利用電子束蒸發(fā)法在倒置的正四玻璃棱臺的上表面鍍一層ITO導電薄膜； 步驟3.激光倏逝駐波聚焦沉積納米顆粒 步驟3-1.構建線陣列單一方向沉積的金屬納米顆粒激光倏逝駐波場:將滿足干涉條件的兩束激光分別于倒置的正四玻璃棱臺相對的兩側面相向入射，且兩束激光的入射角相等，調節(jié)兩束激光的入射角使得二者于倒置正四玻璃棱臺上表面內側相同位置發(fā)生全反射，形成倏逝駐波，此時兩束激光全反射形成的光斑完全重合； 或者構建點陣列沉積的金屬納米顆粒激光倏逝駐波場:構建正交的兩激光倏逝駐波，此時四束激光在正四玻璃棱臺上表面內側相同位置發(fā)生全反射，光斑重疊處光場矢量疊加； 步驟3-2.在所述倒置正四玻璃棱臺上表面的光斑處滴加步驟I中已配制好的金屬納米顆粒膠體溶液，且膠體溶液覆蓋整個光斑區(qū)域，再用蓋玻片蓋壓在膠體溶液上，保證激光持續(xù)輻照直至正四玻璃棱臺上表面沉積的銀納米顆粒厚度為10?60nm時停止激光輻照； 步驟3-3.去掉蓋玻片，將沉積樣品經(jīng)去離子水清洗后即得到金屬納米顆粒陣列； 步驟4.制備液晶盒 在ITO玻璃基板的導電面上旋涂一層聚合物P1-2555(聚酰亞胺)，通過定向擦拭以產(chǎn)生液晶分子單方向矢量的邊界狀態(tài);再用摻有相同直徑的二氧化硅小球的紫外固化膠將ITO玻璃基板與金屬納米陣列結構表面相粘合以形成液晶盒腔體，其中ITO導電面為內表面，然后將電極引線分別焊接在ITO玻璃基板和棱臺的導電面上，最后使用針孔注射器向液晶盒內注射向列相液晶，金屬納米陣列結構液晶盒制作完成。2.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:步驟2所述的倒置正四玻璃棱臺上表面所鍍的ITO導電薄膜厚度為10?lOOnm，所述正四玻璃棱臺采用的玻璃材質折射率為1.8?2.1、表面粗糙度小于0.Ο?μπι，通透性高于99.5%，入射激光波長為530?533nm，導電薄膜折射率與正四玻璃棱臺折射率相同。3.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:步驟3-2所述的激光福照持續(xù)時間為5?8mins，單路光束功率為10?120mw。4.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:步驟4所述的二氧化硅小球直徑為10?50μπι，紫外固化膠為N0A-65，向列相液晶為5CB(4-氰基-4’-戊基聯(lián)苯)。5.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:所述正四玻璃棱臺在使用前依次放入酒精和重鉻酸鉀溶液中使用超聲波清洗儀清洗，使其潔凈。6.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:所述金屬為銀、金或者鈀。7.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:所述激光為TE偏振激光。8.如權利要求1所述的一種具有金屬納米顆粒陣列的液晶盒的制備方法，其特征在于:步驟I所得的膠體溶液的納米顆粒為球形或橢球形。
【文檔編號】G02F1/1333GK105929578SQ201610296728
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】黃小平, 侯宇蒙, 李玉, 齊明熙, 王影, 陳濤
【申請人】電子科技大學