横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响
横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响?
赵找栗，邓罗根
（北京理工大学 理学院物理系，北京 100081）
摘要：详细阐述一种理论模型，讨论共面转换（IPS ）模式下横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及扭曲角的影响。利用琼斯矩阵法计算了光正入射情况下未加电场时胆甾相液晶的反射谱。在上述模型基础上，计算了施加电场后胆甾相液晶的反射峰值波长以及反射带宽随场强的变化关系。探讨了忽略锚定与强锚定两种边界条件下横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响。所得结论在理论上证实：共面转换模式下电场可以调谐胆甾相液晶的反射光颜色，从而为基于电控螺距原理的胆甾相液晶反射式彩色显示方案提供了理论上的依据。
关键词：胆甾相液晶，电控螺距，共面转换，琼斯矩阵法
PACC: 6130, 4270D, 7820W, 4270Q
1. 引言
胆甾相液晶的光反射是过去十几年来人们广泛研究的课题之一[1-3]。由于胆甾相液晶具有独特的光学性质而被广泛应用于显示领域[4-5]。胆甾相液晶具有螺旋结构，指向矢沿垂直于它的螺旋轴扭转排列。指向矢扭转π2时螺旋轴上通过的距离称为一个螺距，记作0P 。与胆甾相液晶具有相同旋向的一定带宽内的圆偏振光能被完全反射。布拉格反射带宽为0P n ??=?λ，n ?为胆甾相液晶的介电双折射。反射的中心波长为0P n =λ，平均折射率2/)(e o n n n +=，o n 、e n 分别为液晶中寻常光和非常光的折射率。
1968年Meyer 证实[6]，施加垂直于螺旋轴方向的电场会使胆甾相液晶的螺距增加，由布拉格定律可知反射光颜色可以改变。1970年Kahn 在实验中观察到横向电场作用下胆甾相液晶螺距改变的现象[7]。2004年Li 小组在实验中观察到横向电场作用下胆甾相液晶反射光颜色改变的现象[8]。基于上述现象，本文详细阐述一种理论模型，讨论共面转换模式[9-11]下横向电场对平面结构胆甾相液晶螺距以及扭曲角的影响。利用上述模型，用琼斯矩阵法计算了光正入射情况下胆甾相液晶的反射峰值波长（或是反射光颜色）以及反射带宽随场强的变 化关系。处理过程中借助了变分法与椭圆积分数学工具。
国家自然科学基金（批准号：10474006）资助的课题。E-mail: luogen@https://www.wendangku.net/doc/165563636.html, https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
2. 理论模型
A. 施加电场后胆甾相液晶的自由能表达式
胆甾相液晶弹性能密度表达式为[12] 2320221)(2
1)(21)(21n n n n n ×?×++×??+??=k q k k U EL ， （1） 其中n 代表指向矢，1k 、2k 、3k 分别代表展曲、扭曲、弯曲弹性常数。螺旋扭曲度00/2P q π=，0P 是未加电场时胆甾相液晶的螺距。考虑一厚为d 的胆甾相液晶样品盒，指向矢平行于xoy 平面，直流电场沿x 轴方向，螺旋轴沿z 轴方向。本文中，将胆甾相液晶分为很多层，每层近似认为是取向相同的向列相液晶层。未施加电场时，胆甾相液晶相邻层之间的夹角是相同的。施加横向电场后，胆甾相液晶两相邻层间的夹角不再是相同的固定值，有的夹角变大，有的夹角变小。但平均而言，两相邻层间的夹角变小，因此，在一个2π周期内包含的液晶层数增加，致使螺距增加。当场强进一步增大到某一临界值S E 时，胆甾相液晶就完全解旋为向列相液晶，如图1所示。由于指向矢是位置z 的函数，因此在假设z 处的扭曲角为)(z ?前提下，指向矢可以表示为
)0,sin ,(cos ??=n ， （2）
指向矢n 的散度和旋度分别是
0=??n ， （3）
)0,sin ,cos (dz
d dz d ????
??=×?n ， （4） 由(1)(3)(4)式得到 20221??
?????=q dz d k U EL ?。 （5） 根据电磁理论，静电场能量密度表达式为 E D ?=
21ES U ， （6） 当电极平行于x 轴放置时，场强E 与x 轴平行：
)0,0,(E =E ， （7）
由于胆甾相液晶的各向异性，电位移矢量D 与场强E 是不平行的。实验室坐标系中，液晶https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
分子的电位移矢量)(E n n E D ??+=⊥εε。⊥?=?εεε//是绝对介电常数各向异性，//ε、⊥ε分别是平行与垂直于分子轴方向的绝对介电常数。由上面的公式计算可得
E D x )sin cos (22//?ε?ε⊥+=，其中?为液晶分子长轴与实验室坐标系x 轴之间的夹角。
（a ）
（b ）
（c ）
图 1 外加直流电场时胆甾相液晶样品发生的变化： （a ）场强0=E ；（b ）场强
S E E <；（c ）场强S E E ≥。S E 为胆甾相液晶解旋为向列相液晶的临界场强。
S E E ≥
S E E <
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由（6）式，静电场能量密度可进一步简化为
E D U x ES 2
1)(=?， 222//)sin cos (2
1E ?ε?ε⊥+=， （8） 因此，电场作用下胆甾相液晶静电场能量密度改变为
2//222//S 2
1)sin cos (21E E U E ε?ε?ε??+=?⊥）（， 22sin 2
1E ?ε??=， （9） 式中第一个等号右侧第一项为电场作用下液晶分子重新取向后的静电场能量密度，第二项为施加电场后液晶分子未曾发生扭转时的静电场能量密度。
由(5)(9)两式可以得到胆甾相液晶样品总自由能表达式为
∫∫∫????
??????????????=dxdydz E q dz d k U 22202sin 21?ε?， ∫???????????????
??=d xy dz E q dz d k A 022202sin 21?ε?， （10） 式中?为液晶盒体积，xy A 为液晶盒xoy 平面上的面积，d 为液晶盒厚度。
B. 横向电场对胆甾相液晶扭曲角及螺距的影响
施加电场后取向分布函数)(z ?可以通过对自由能U 变分得到[13]。为数学上的方便，此处认为?是变量，并且有)(?z z =。对（10）式z 变分可以推出
??δ?ε?δ?δ??d d z d E d z d dz d k A U d xy ∫???????
??????????=)()0(2222sin 21， （11） 其中)0(?是0=z 处的扭曲角，)(d ?是d z =处的扭曲角。最小自由能条件0=U δ要求
)sin 1(122222?γ?k k dz d ?=??
????， （12） 其中222/E k εγ?=，2k 是常数项。
以下讨论中考虑多个螺距的情况并且忽略表面锚定，此时螺距连续变化[14]。因此，施加电场后胆甾相液晶的螺距变为 https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
∫???
?????=π??20d d z d P ， ∫
?=2/02/122)sin 1(4π??γk d k ， （13） 式中[]
∫?=2
/02/1221)sin 1/(1)2/,(π??πd k k F 是第一类完全椭圆积分[15]。 积分（10）式可得
??????+??=)2/,(4)2/,(222
1221220220πγπγπk F k P d k k F k P d k P d k q d k q A U xy ， （14） 式中d 是胆甾相样品盒厚度。利用自由能最小化条件0/=??k U 得出
)
2/,(2
20ππ
γk F k q =， （15） （15）式可进一步简化为 )2/,(222
0πεπk F k k E
P =?， （16） 其中??ππd k k F 2/12
/0222)sin 1()2/,(∫?=是第二类完全椭圆积分[15]。第一类与第二类完
全椭圆积分均可调用Matlab 计算软件中的ellipke 函数求得。推导出的（16）式即为场强E 与常数k 之间的关系。
（10）式积分与（14）式求偏导过程中用到
[])2/,()2/,(1sin 1sin 122
/0222ππ???πk F k F k
k d k ?=??∫， （17） )2/,(42πγk F dk
dP =， （18） 2224)2/,()2/,(k
P k k F dk k dF γππ?=， （19） 由(13)(16)两式可以得到
)2/,()2/,(42120πππ
k F k F P P =， （20） （20）式即为施加电场前后胆甾相液晶螺距之间的关系。在给定场强E 的情况下，只要通过（16）式得到常数k 的值，就可以通过（20）式得到施加电场后胆甾相液晶的螺距值。 https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
3. 计算结果与讨论
A . 未加电场情况下胆甾相液晶的反射特性
利用琼斯矩阵法[16]计算未加电场情况下不同胆甾相样品厚度的反射谱，如图2所示。胆甾相液晶为右旋结构，螺距nm P 3000=，5.1=o n ，8.1=e n 。胆甾相液晶的上下两端为各向同性的玻璃基板，折射率5.1=g n 。入射光为平行于螺旋轴方向的右旋圆偏振光。计算过程中将一个螺距分为200层，因未加电场情况下液晶分子均匀扭曲，所以两相邻液晶层之间的夹角为相同的固定值。
图 2 不同样品厚度胆甾相液晶的反射谱。入射光为右旋圆偏振光。
当样品厚度为6个螺距时，布拉格反射中心波长为495.2nm ，布拉格反射带宽为
91.2nm 。所得结果与理论公式（0P n ??=?λ，0P n =λ）完全吻合（见引言第一小节）
。从图2中可以看出，胆甾相样品螺距数超过6时，计算结果是准确的。
B . 施加电场后胆甾相液晶的反射特性
接下来的内容分三部分加以论述：第一部分讨论施加电场后胆甾相液晶螺距的改变；第二部分探讨胆甾相液晶扭曲角随外加直流电场的变化关系；最后一部分计算电场作用下胆甾相液晶反射特性。
施加横向电场后，通过（13）（16）两式可以得到场强E 与胆甾相液晶螺距P 之间的关系，如图3（a ）所示。表1给出了相应的计算数据，表中E 代表场强，1F 、2F 代表第一类、第二类完全椭圆积分，P 代表施加电场后的螺距。 https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
计算过程所采用的胆甾相液晶参数如下：螺距nm P 3000=，N k 122104?×=，0//7.15εε=，06εε=⊥。0ε为真空中的介电常数。当1=k 时，由（13）式积分得到螺距P 为无穷大，胆甾相液晶完全解旋为向列相液晶。由（16）式，当1=k 时，2/12042)/(P k E E S επ?==。S E 即为胆甾相液晶—向列相液晶转变的临界场强值。场强S E E ≥时，胆甾相液晶在电场作用下完全解旋为向列相液晶，如图1（c ）所示。在上述参数情况下，计算得到的m V E S μ/0998.7=。
图3 忽略表面锚定情况下胆甾相液晶螺距随场强的变化关系。
上面部分的计算是忽略表面锚定的情况下胆甾相液晶螺距随场强的变化关系，下面将讨论强锚定的情况。在强锚定情况下，螺距值不再是连续的，而是离散化的。螺距由下式决定
ππm d P
=2 (m 为整数)， （21） 这里假定胆甾相液晶样品上下两层的扭曲角均为0。（21）式的物理意义是：液晶层的厚度d 应该等于半螺距2/P 的整数倍，m 代表半螺距的数目。由（21）式得到
m
d P 2= （m 为整数）， （22） 假定胆甾相液晶样品初始厚度为10个螺距，则样品总厚度为3000nm 。未加电场时nm P P 3000==，由（22）式20=m 。让m 取一系列的值，就可以得到离散化的螺距值P 。根据（20）式就可得到不同的k 值，进而得到相应的γ值与场强值。图4是强锚定条件下的螺距值，表2给出了相应的计算数据。其中各个物理量的意义与表1相同。 https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
图 4 强锚定情况下胆甾相液晶螺距随场强的变化关系。m 取值范围为11—20。
注意到：强锚定情况下，螺距只能取上述图形中标注的离散值。上面图中m 的取值范围为11-20。
施加电场后，胆甾相液晶两相邻层的夹角不再是固定值，而是有所差别。任意位置z 处的扭曲角可通过对（12）式积分得到
∫?=)
(02/122)
sin 1(1z d k k z ???γ， （23） 其中0为0=z 处的扭曲角，)(z ?代表任意位置z 处的扭曲角。[]
∫?=)
(02/1223)sin 1/(1),(z d k k F ????是第一类椭圆积分[15]（当2/π?=时，),(3?k F 即为第一类完全椭圆积分），其值可调用Matlab 计算软件中的ellipj 函数求得。将表(1)和表
(2)中计算得到的γ，k 值带入（23）式中，就可以得到不同场强时任意位置z 处的扭曲角)(z ?，进而可以得到两相邻液晶层之间的夹角。通过计算得出的结论是：场强值越大时两相邻液晶层间夹角的差值越大。同样，施加电场后胆甾相液晶的螺距变大，相应样品的总螺距数减少，上述问题在前面已经有详细的论述。
根据上面的讨论，下面计算了不同场强时胆甾相液晶的布拉格反射谱，如图5所示。计算中用到的胆甾相液晶参数与前面部分相同，每个螺距分为200层。图5（a ）是忽略表面锚定的情况，施加的场强依次为m V μ/5，m V μ/6，m V μ/8.6。布拉格反射的峰值波长分别为488nm ，528.8nm ，668nm 。这里计算的是峰值波长，而非中心波长。上面三种波长的光对应于蓝光，绿光，红光。由于螺距是可以连续变化的，理论上可以通过改变场强的https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
https://www.wendangku.net/doc/165563636.html, 大小得到所有颜色的反射光，实现全色显示。图5（b）是强锚定情况，施加的场强分别为
Vμ/
.6。布拉格反射的峰值波长依次为492nm，535.2nm，.6，m
54
Vμ/
m
Vμ/
97
.4，m
07
664.8nm。上面三种波长的光分别对应于蓝光，绿光，红光。强锚定情况下，螺距是离散化的，因此只能得到某些特定波长的反射光。真实的胆甾相样品是介于无锚定和强锚定作用
之间的，因而应用中需要合适的锚定来满足人们的需要[17,18]。
(a)
(b)
图5 不同场强值时的布拉格反射谱：(a) 忽略锚定的情况；(b) 强锚定情况。
从图5中可清晰地看到，随场强的增加，胆甾相液晶布拉格反射峰值波长向长波方向
移动，同时布拉格反射带宽明显变宽。下面用琼斯矩阵法详细计算了忽略锚定和强锚定情况
下的反射峰值波长以及反射带宽。图6（a）是忽略锚定情况下场强与布拉格反射峰值波长
之间的关系。反射峰值波长的变化范围为461.6nm—780nm，包含了几乎所有的可见光波
https://www.wendangku.net/doc/165563636.html, 长。这样就可以解决不需要滤光膜或是背光源，通过调节液晶盒中的场强实现胆甾相液晶全色显示。本文到此为止已经在理论上证实：共面转换模式下电场可以改变胆甾相液晶的反射光颜色，不同于以往只是从实验中观察上述现象。从而为IPS显示提供了理论上的依据。图6（b）是忽略锚定情况下场强与反射带宽之间的关系。在上述计算参数下，带宽的变化范围为93.6nm—144.8nm，变化的幅度为51.2nm。
（a）
(b)
图 6 (a)忽略锚定情况下峰值波长与场强的关系；(b) 忽略锚定情况下带宽与场强的关系。
图7（a）是强锚定情况下布拉格反射的峰值波长与场强之间的关系。反射峰值波长的变化范围为477.6nm—756.8nm。图7（b）是强锚定情况下反射带宽与场强之间的关系。在上述计算参数下，带宽的范围为97.6nm—118.4nm。
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（a）
(b)
图7 (a)强锚定情况下布拉格反射峰值波长与场强之间的关系; (b)强锚定情况下布拉格反射带宽与场强之间的关系。
值得注意的是：在强锚定情况下，螺距值只能取图4中标注的离散值，这是由强锚定条件下螺距的离散化条件所决定的（见公式（21））。另一方面，强锚定情况下、未加电场时的初始螺距值与胆甾相液晶的组分有关。我们认为，在施加电场后，在场强值连续变化（增加）的情况下，螺距会从一个值突变为另一个值。每个离散螺距对应特定的场强范围。图7中的离散的场强值可以看作特定场强范围的“中心”。这些特定的场强值对应的态可以看作热力学系统中的平衡态，即自由能最小态。对应的螺距可以作为表征这一平衡态的物理参数。在平衡态时，系统的宏观性质不随时间发生改变，所以可以用本文阐述的理论模型计算它的反射峰值波长及反射带宽。当场强取其它值时，胆甾相液晶系统处于非平衡状态，自由能也不
一定最小。此时描述系统内部的变化变得非常复杂，详细讨论已超出本文范围。
表1 忽略锚定情况下的计算数据 E
（m V μ/）
)(nm γ k 1F 2F )(nm P 0.5 431.620 0.1103 1.5756 1.5660 300.0 1.0
215.809 0.2185 1.5900 1.5519 300.0 1.5
143.873 0.3231 1.6144 1.5290 300.1 2.0
107.905 0.4221 1.6488 1.4983 300.4 2.5
86.324 0.5145 1.6938 1.4610 300.9 3.0
71.936 0.5993 1.7502 1.4185 301.9 3.5
61.660 0.6763 1.8196 1.3718 303.5 4.0
53.952 0.7450 1.9037 1.3224 306.1 4.5
47.958 0.8057 2.0066 1.2712 310.1 5.0
43.162 0.8585 2.1338 1.2192 316.3 5.2
41.502 0.8776 2.1944 1.1982 319.7 5.4 39.965 0.8954 2.2611 1.1773 323.7 5.6 38.537 0.9121 2.3366 1.1564 328.5 5.8 37.208 0.9277 2.4229 1.1355 334.5 6.0 35.968 0.9421 2.5232 1.1148 342.0 6.2 34.808 0.9554 2.6427 1.0941 351.5 6.4 33.720 0.9676 2.7914 1.0735 364.3 6.6 32.698 0.9787 2.9913 1.0528 382.8 6.8 31.737 0.9885 3.2878 1.0321 412.5 7.0 30.830 0.9968 3.9167 1.0109 481.4 表 2 强锚定情况下的计算数据 m )(nm P k 1F 2F )(nm γE )/(m V μ 19 315.8 0.8552 2.1244 1.2227 4.3422 4.97 18 333.3 0.9249 2.4061 1.1394 4.0263 5.36 17 352.9 0.9568 2.6574 1.0918 3.7273 5.79 16 375.0 0.9747 2.9087 1.0604 3.5553 6.07 15 400.0 0.9852 3.1660 1.0393 3.4474 6.26 14 428.5 0.9916 3.4418 1.0246 3.3720 6.40 13 461.5 0.9954 3.7380 1.0149 3.3304 6.48 12 500.0 0.9977 4.0813 1.0082 3.2998 6.54 4．结论 本文已经详细阐述一种理论模型，得到了施加电场前后胆甾相液晶螺距与电场强度之https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
https://www.wendangku.net/doc/165563636.html, 间的解析关系。利用琼斯矩阵法结合Matlab软件计算了光正入射情况下未加电场时胆甾相液晶的反射特性。结果表明，理论计算结果与相关文献中的结论非常吻合[16]。同时计算了施加电场情况下胆甾相液晶的反射特性。计算过程中分忽略锚定和强锚定两种情况进行探讨。基于上述的理论模型，研究了IPS模式下反射峰与外加电场的关系，推导了反射谱宽度随外加电场的变化特性。
在忽略锚定和强锚定两种情况下，利用热力学上的自由能最小条件证实了电场调谐胆甾相液晶的螺距P的可能性。我们得出的结论是：当忽略锚定时螺距是可以连续变化的，利用电场调谐胆甾相液晶的反射光颜色是完全可能的。而强锚定情况下，螺距只能取一系列的离散值，当场强连续变化时螺距有可能从一个离散值突变到另一个离散值。详细的过程还需要理论与实验上的进一步验证。本文得出的结论对研究新型的胆甾相液晶反射式彩色显示[9-11]具有理论指导意义。
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Effects of the transverse Electric field on the Pitch and Reflective Characteristics of the
Planar Texture Cholesteric Liquid Crystals
Zhao Zhao-Li and Deng Luo-Gen
(Department of Physics, School of Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract
The reflective spectrums of the cholesteric liquid crystals under the condition of the normal incident light are computed by using Jones matrix method. A theoretical model for discussing the influence of the transverse electric field on the twist angle and the pitch of the planar texture cholesteric liquid crystals under the in-plane switching mode is established. Based on the model, the relation between the electric field and the reflective peak for the cholesteric liquid crystals, and the relation between the electric field and the reflective spectral width for the cholesteric liquid crystals are calculated. The effects of the transverse electric field on the pitch and the reflective characteristics of the planar texture cholesteric liquid crystals are studied under the different anchoring conditions. The results show that, under the In-plane Switching mode, the color of the light reflected from the cholesteric liquid crystals can be changed by the applied transverse electric field, which supplies a theoretical support for the planar texture cholesteric LC color display based on the electrically-controlled pitch.
Keywords: cholesteric liquid crystals; electrically-controlled pitch; In-plane Switching; Jones matrix method
液晶光电效应(含思考题答案)
课程： 专业班号：姓名：学号： 同组者： 液晶电光效应实验 一、实验目的 1、了解液晶的特性和基本工作原理； 2、掌握一些特性的常用测试方法； 3、了解液晶的应用和局限。 二、实验原理： 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。 列方式和天然胆甾(音同淄)相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当我们在液晶盒的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图2中的排列形式。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。
胆甾相液晶的光学性质
一、胆甾相液晶的光学性质 胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。 （1）选择性反射 有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。 一级反射光的波长为： λ=2nPsinφ 其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为 入射波与液晶表面的夹角。 （2）旋光效应 在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。 （3）圆二色性 圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。 二、胆甾相液晶的电光效应
反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构的形成及相变的研究
研究与试制 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构的 形成及相变的研究 Ξ 张 俊1,李 青1,韦 静2,傅伟涛1,庞春霖3 (1.东南大学电子工程系,南京,210096;2.中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京,210096; 3.清溢精密光电[深圳]有限公司,广东深圳,518057) 摘 要:主要讨论了采用摩擦工艺形成的胆甾相液晶显示器件的多畴结构。研究在电场作用下多畴结构胆甾相液晶显示器件相变,包括平面织构态(P 态)到焦锥织构态(FC 态)的相变;场致向列态(H 态)到P 态和FC 态的相变。通过显微镜下液晶屏的上电观察,调节脉冲数量和幅度,得到P 态FC 态和H 态之间相变的微观过程,得出胆甾相液晶相变的过程和规律,为实际工艺制作提供了理论指导。 关键词:胆甾相液晶;多畴结构;P 态;FC 态;H 态中图分类号:TN 141.9 文献标识码:A 文章编号:10052488X (2005)0420226203 Re s e a rch on the Fo r m a tion a nd P ha s e T ra ns ition of Re fle c tive CHLCD M ulti 2dom a in S truc ture ZHAN G Jun 1,L IQ ing 1,W E I J ing 2,FU W ei 2tao 1 ,PAN G Chun 2lin (1.E lectron ic E ng ineering D ep a rt m en t ,S ou theast U n iversity ,N anj ing ,210096,CH N ; 2.N o .55R esea rch Institu te ,Ch ina E lectron ics T echnology G roup Corp ora tion ,N anj ing ,210016,CH N ; 3.S up er m ask Co .L td ,S henz hen ,Guang d ong ,518057,CH N ) Abstract :T h is paper in troduces the fo r m ati on of m u lti 2dom ain structu re by rubb ing tech 2no logy in the reflective cho lesteric L CD (CHL CD ).T he phase tran siti on s under electric field are researched w h ich include p lanar tex tu re state (P state )to focal con ic tex tu re state (FC state )and hom eo trop ic state (H state )to p lanar tex tu re state o r focal con ic tex tu re state .T h rough m odu lating the am oun t and the p eak value of w avefo r m ,the phase tran siti on p rocess has been ob served under the m icro scope .It p rovides the theo retical foundati on fo r the p ractical p rocess . Key words :cho lesteric L CD ;m u lti 2dom ain structu re ;P state ;FC state ;H state 第25卷第4期2005年12月 光 电 子 技 术O PTO EL ECTRON I C T ECHNOLO GY V o l .25N o.4 D ec .2005 收稿日期:2005207227 作者简介:张 俊(1981—),男,硕士研究生。主要研究反射型胆甾相液晶多畴结构的形成及其工艺。 李 青(1964—),女,教授。多年从事胆甾相液晶和PD P 显示研究。 韦 静(1966—),女,工程师。长期从事液晶显示的研发和质量管理工作。
液晶的电光特性
液晶的电光特性 液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质（材料），它是在1888年内奥地利植物学家首先发现的。在我们的日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前人们发现、合成的液晶材料已近十万种之多，有使用价值的也有4-5千种。随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发展，以及市场的巨大需求。人们对它的研究也进入了一个空前的状态。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为量级，并按一定规律排列。根据排列的方式不同，液晶一般被分为三大类1）近晶相液晶，结构大致如图1，图1 图2 图3 这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。且垂直或倾斜于层面。2、向列相液晶，结构如图2。这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。3、胆甾相液晶，结构大致如图3。分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一
种螺旋结构。 以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征，当我们对这些液晶施加外界影响时，他们的状态将会发生改变，从而表现出不同的物理光学特性。 下面我们以最常用的向列液晶为例，分析了解它在外界人为作用下的一些特性和特点。 我们在使用液晶的时候往往会将液晶材料夹在两个玻璃基片之间，并对四周进行密封。为了我们的使用目的，将会对基片的内表面进行适当的处理，以便影响液晶分子的排列。这里介绍相关的三个处理步骤。1、涂覆取向膜，在基片表面形成一种膜。2、摩擦取向，用棉花或绒布按一个方向摩擦取向膜。3、涂覆接触剂。经过这三个步骤后，就可以控制紧靠基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我们使上下两个基片的取向成一定角度，则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。如图4的情况(取向成90度)。 即每一层内的分子取向基本一致，且平行于层面。相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。从而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。这种排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。
热致胆甾液晶的蓝相
Vol.18 2005年9月功 能 高 分 子 学 报 Journal of Functional Polymers No.3 Sep.2005 综述 热致胆甾液晶的蓝相3 张宝砚33 (东北大学分子科学与工程中心,沈阳 110004) 摘 要: 简述了小分子蓝相的研究现状及聚合物稳定的小分子蓝相和聚合物蓝相的研究进展。通常小分 子蓝相温域较窄,仅1℃左右。聚合物稳定的小分子蓝相温域达66℃,而我们展现的聚合物蓝相宽达300℃以上,甚至低于室温也有蓝相存在。所有的蓝相全部展示可见光的布拉格反射。 关键词: 聚合物蓝相;胆甾型液晶;各向同性 中图分类号: O631 文献标识码: A 文章编号: 100829357(2005)022******* 在液晶相与各向同性态之间的相态称为蓝相,根据织构与结构的不同,蓝相又分为蓝相Ⅰ(BPⅠ)、蓝相Ⅱ(BPⅡ)和蓝相Ⅲ(BPⅢ)。早在1888年Reinitzer[1]观察胆甾醇苯甲酸酯(cholesteric benzoate)时发现从178.5℃冷却,在不到1℃的温域内出现明亮的蓝紫色现象,这就是最早观察到的蓝相,应该说蓝相和液晶相是同时被观察到的,那么,目前液晶的研究已非常深入,蓝相的研究又是如何呢?本文就小分子蓝相、聚合物稳定的小分子蓝相和聚合物蓝相的研究现状及进展分别介绍如下。 1 小分子蓝相 小分子蓝相的温域通常不到1℃,直到1956年这个相态才被Gray称为蓝相,早在1906年,Leh2 mann观察到蓝相能选择反射可见光,而且这种色彩是光学各向同性的,他认为蓝相是一个与普通螺旋状相不同的一个稳定相。后来的学者[2]定量测量的结果也证实了蓝相不仅光学各向同性,而且不存在双折射现象。1977年Armitaze和Price等通过实验证明了蓝相是不同于胆甾相的热力学稳定相,并且随温度升高,以胆甾相(Ch)?B PⅠ?B PⅡ?BPⅢ→各向同性相(Iso)顺序出现[3,4]。 Kut njakm等报道了温度与热容的关系(见图1)[4],说明在胆甾相至各向同性态之间存在BPⅠ和B PⅢ,表明了蓝相的热容很小,BPⅠ和BPⅢ之间的热容变化也不大,所以各蓝相之间的相界和蓝相与胆甾相和各向同性相之间的相界表征也一直是研究的难点,通常图1出现的情况在小分子蓝相中较常见。Singh等报道了手性与温度的关系(见图2)[5],从图2可以看出,小分子蓝相不仅存在B PⅠ、B PⅡ和B PⅢ,而且还存在有临界点,如果我们在不同温度观察,将有不同的蓝相出现,可能有BPⅠ、B PⅡ和B PⅢ同时出现,也可能只出现B PⅠ和B PⅢ,或只出现一种蓝相。虽然对蓝相已研究了相当长时间,但对蓝相结构认识仍不十分明确,特别对B PⅢ的结构争议较大,下面分别叙述几种蓝相。 在前人工作的基础上,Grebel等于1983年提出了朗道(Landau)理论,被多数科学家所接受。该理论认为小分子B PⅠ为体心立方晶格[6、7](见图3和图4),B PⅡ为简单立方晶格(见图5和图6),双扭曲的旋错线占据晶格格点;B PⅢ也称雾相,但迄今为止没有出现能被多数人接受的小分子B PⅢ的结构模型,B PⅢ还不能被很好的解释。除此之外,Laudau理论也不能解释为什么存在多个蓝相。同一温度下,不同液晶的蓝相有许多取向不同的领域,观察者在同一角度看到每个领域的光的颜色不同,即选择 3 33收稿日期:2005202228 基金项目:国家自然科学基金资助(20374009)、国家高技术研究发展计划(863)资助(2003AA327110) 作者简介:张宝砚(19422),女,黑龙江哈尔滨人,教授、博士生导师,研究方向:液晶离聚物、光功能液晶聚合物,E2mail:baoy2 anzhang@hot https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,.
横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响
横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响? 赵找栗，邓罗根 （北京理工大学 理学院物理系，北京 100081） 摘要：详细阐述一种理论模型，讨论共面转换（IPS ）模式下横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及扭曲角的影响。利用琼斯矩阵法计算了光正入射情况下未加电场时胆甾相液晶的反射谱。在上述模型基础上，计算了施加电场后胆甾相液晶的反射峰值波长以及反射带宽随场强的变化关系。探讨了忽略锚定与强锚定两种边界条件下横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响。所得结论在理论上证实：共面转换模式下电场可以调谐胆甾相液晶的反射光颜色，从而为基于电控螺距原理的胆甾相液晶反射式彩色显示方案提供了理论上的依据。 关键词：胆甾相液晶，电控螺距，共面转换，琼斯矩阵法 PACC: 6130, 4270D, 7820W, 4270Q 1. 引言 胆甾相液晶的光反射是过去十几年来人们广泛研究的课题之一[1-3]。由于胆甾相液晶具有独特的光学性质而被广泛应用于显示领域[4-5]。胆甾相液晶具有螺旋结构，指向矢沿垂直于它的螺旋轴扭转排列。指向矢扭转π2时螺旋轴上通过的距离称为一个螺距，记作0P 。与胆甾相液晶具有相同旋向的一定带宽内的圆偏振光能被完全反射。布拉格反射带宽为0P n ??=?λ，n ?为胆甾相液晶的介电双折射。反射的中心波长为0P n =λ，平均折射率2/)(e o n n n +=，o n 、e n 分别为液晶中寻常光和非常光的折射率。 1968年Meyer 证实[6]，施加垂直于螺旋轴方向的电场会使胆甾相液晶的螺距增加，由布拉格定律可知反射光颜色可以改变。1970年Kahn 在实验中观察到横向电场作用下胆甾相液晶螺距改变的现象[7]。2004年Li 小组在实验中观察到横向电场作用下胆甾相液晶反射光颜色改变的现象[8]。基于上述现象，本文详细阐述一种理论模型，讨论共面转换模式[9-11]下横向电场对平面结构胆甾相液晶螺距以及扭曲角的影响。利用上述模型，用琼斯矩阵法计算了光正入射情况下胆甾相液晶的反射峰值波长（或是反射光颜色）以及反射带宽随场强的变 化关系。处理过程中借助了变分法与椭圆积分数学工具。 国家自然科学基金（批准号：10474006）资助的课题。E-mail: luogen@https://www.wendangku.net/doc/165563636.html, https://www.wendangku.net/doc/165563636.html,
液晶高分子的性质及应用
液晶高分子的性质及应用 作者：翟洪岩、杨怀斌、岳敏、尹国强、张家乐、张维液晶高分子自上世纪70年代被开发出以来，经历了一系列的发展，现已成为普遍使用的一种高分子材料。人们已对液晶高分子的结构、性质、合成方法以及液晶高分子的应用都有了较为深刻的认识。这篇文章讨论的主要关于高分子液晶的性质（物理性质）及其应用。 一、高分子液晶的物理性质。 液晶高分子作为一种特殊的高分子材料，自然具有与一般高分子材料不同的性质。液晶具有液体的流动性和固体的有序性，对外界刺激如光、机械压力、温度、电磁场及化学环境的变化具有较高的灵敏性。高分子液晶制品具有高强度、高模量，尺寸稳定性、阻燃性、绝缘性好，耐高温、耐辐射、耐化学药品腐蚀、线膨胀率低，并有良好的加工流动性等优异性能。 1、高弹性。 液晶对外场作用较为敏感，即使不大的电磁力、切变力、表面吸附等都能使液晶产生较大形变。液晶可独立存在展曲、扭曲、弯曲三种弹性形变。 2、粘滞性与流变性。 液晶存在取向有序性，这将影响流体力学行为。而液晶高分子还具有的高分子的粘滞特性，这与分子长度密切相关。一般液晶高分子为多畴状态，畴的大小在几微米之内，故在宏观上液晶高分子是各向同性的，其许多物理性质如力学性能等，表观上也是多向同性的。溶致型液晶高分子溶液在各向同性相时，粘度随浓度增大而增大。进入液晶相后，粘滞系数突然降低。分子量越大，进入液晶相浓度也越低，最大粘滞系数升高。 体系进入液晶相后，指向矢受切变流的影响而沿它的流动方向取向，从而迅速降低了粘滞系数。当切变流动停止一段时间后，样品会逐渐弛豫回原来的多畴状态。如果在此之前就使液晶高分子降温或溶剂移走成为固态，仍可获得相当好的宏观取向，即各向异性固体。 3、其他性质。 胆甾相液晶具有螺旋结构。因此有特殊的光学性质，如选择反射、圆二色性、强烈的旋光性及其色散、电光和磁光效应等。
液晶的电光特性实验报告含思考题
西安交通大学实验报告 第1页（共9页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日 专业班号______组别_______交报告日期：年月日 姓名__Bigger__学号__报告退发：（订正、重做） 同组者__________教师审批签字： 实验名称：液晶的电光特性 一、实验目的 1)了解液晶的特性和基本工作原理； 2)掌握一些特性的常用测试方法； 3)了解液晶的应用和局限。 二、实验仪器 激光器，偏振片，液晶屏，光电转换器，光具座等。 三、实验原理 液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状，长度在十几埃，直径为4～6埃， 液晶层厚度一般为5-8微米。排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向 列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆 甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。扭曲向列排列的液晶对入射光会 有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取 向夹角。 对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋 于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。这也称为退螺旋效应。由于 液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶 分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出 各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。
从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。根据液晶分子的结构特点,假定液晶分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图1中的排列形式。这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图1液晶分子的扭曲排列变化 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90°，不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图2；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压(U th)，标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉)，阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(U r)，标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，U r小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。对比度D r=I max/I min，其中I max为最大观察(接收)亮度(照度)，I min 为最小亮度。陡度β=U r/U th即饱和电压与阈值电压之比。
液晶高分子材料的类型
液晶高分子材料的类型，结构特点，主要应用领域及其发展 趋势 摘要：对液晶高分子材料的类型，结构特点进行重点介绍，并对其的应用领域与发展趋势进行介绍与展望。 关键词：液晶高分子材料，高分子材料，新型高分子液晶材料， 引言：液晶高分子材料是近十儿年迅速兴起的一类新型高分子材料，它具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率、低密度、良好的介电性、阻燃性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能，作为液晶白增强塑料、高性能纤维、板材、薄膜及光导纤维包覆层，被广泛应用于电子电器、航天航空、国防军工、光通讯等高新技术领域以及汽车、机械、化工等国民经济各工业部门。正是由于其优异的性能和广阔的应用前景，使得液晶高分子材料成为当前高分子科学中颇有吸引力的一个研究领域。 我国液晶高分子研究始于20世纪70年代初，1987年在上海召开的第一届全国高分子液晶学术会议标志着我国高分子液晶的研究上了一个新的台阶。此后，全国高分子液晶态学术会议每两年召开一次，共召开了8次。1994年在北京召开IUPAL国际液晶高分子会议，20世纪80年代周其凤等提出了新的甲壳型液晶高分子的概念并从化学合成和物理性质等角度给出了明确的结论，得到了国内学者的关注。而北京大学在该研究一直处于领先地位，已成功合成了上百个具有不同化学结构的甲壳型液晶高分子，并从不同的视角对其结构和性质开展了研究。 1.1液晶的发现 液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性，液晶高分子就是具有液晶性的高分子，大多数由小分子量基元键合而成，它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。液晶的发现可以追溯到1888年，奥地利植物学家F.Reinitzer发现，把胆甾醇苯酸脂(Ch01．esteryl Benzoate，简称CB)晶体加热到145．5℃会熔融成为混浊的液体，145．5℃就是该物质的熔点，继续加热到178．5 ℃，混浊的液体会突然变成清亮的液体，而且这种由混浊到清亮的过程是可逆的。
胆甾相液晶在显示中的应用
胆甾型液晶显示的研究及进展 摘要 胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子和周期性螺旋结构。在液晶相状态下具有独特的光学特性，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景。本文系统阐述了其在光学显示领域的研究进展 关键字：胆甾相液晶，用途，特性，进展 1.胆甾型液晶简介 液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质，具有光电动态散射特性；它有多种液晶相态，例如胆甾相，近晶相，向列相等。由于液晶分子的有序排列，使得其呈现有选择的散射，也因此使其具有显示功能的潜力。 胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子 和周期性螺旋结构。在液晶相状态下具有独特的光学特性，类似一维光子晶体，具有选择性布拉格反射，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景[1]。 2.胆甾型液晶组成及排列 2.1.胆甾型液晶组成 单一成分的胆甾型液晶：此类胆甾相液晶分子本身就具有旋光性，大部分是胆甾醇的卤化物、脂肪酸或碳酸酯等衍生物，分子结构通式如图2-1所示，其中-R1为饱和碳链, -R2为任意原子团[2]。 图2-1 胆甾醇酯分子通式 此外对氧化偶氮苯甲醚类、对正甲氧基苯甲醛类化合物，具有不对称碳原子，呈长棒状的化合物等通常都可能成为胆甾相液晶。 多组分的胆甾型液晶：为满足液晶各方面性质的要求，故用于显示的胆甾相液晶一般是混合物，可以由胆甾型液晶与胆甾型液晶互混而成，也可以通过向具
有不对称碳原子、存在相互成对应体的旋光异构体的向列相液晶分子中添加手性掺杂剂来获得[3]。 2.2.胆甾型液晶分子排列 胆甾型液晶具有层状的分子排列结构，层与层间相互平行，其分子细长，长轴具有沿某一优先方向取向，相邻两层分子间的取向不同，一般相差15°左右，且该优先方向取向在空间沿螺旋轴(光轴方向) 螺旋状旋转。这种特殊的螺旋状结构使得胆甾相晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性布拉格反射。 图2-2 胆甾型液晶分子排列 按照螺旋轴的取向，胆甾相液晶主要分为两种组织结构，一种是平面结构，其螺旋轴与基片垂直；另外一种是焦锥结构，其螺旋轴与基片平行。 图2-3 胆甾相液晶两种组织结构 3.胆甾型液晶特性及用途 由于液晶分子头尾、两侧所接分子基团的不同，使得分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的物化性质。因此，液晶分子在外场作用下表现出介电各向异性、磁各向异性以及光学折射率各向异性。 胆甾型液晶具有双稳态特性（SSCT、PSCT），这是其应用于电子纸显示的基础。在施加不同强度外电场作用的情况下，胆甾型分子的螺旋结构发生改变而分别呈现亮和暗的状态。在亮的状态下，液晶分子处于平面态，液晶分子螺旋轴与基板表面基本都垂直，这时若螺距与入射光波长相近或相等，满足布拉格反射条件，则该波长的入射光就会被反射。相反，如果螺旋轴与基板表面在暗态时基本都平行，液晶分子呈现不规则排列时，入射光被散射，或被下基板表面的吸收层所吸收，没有光线射出。作为一种反射式显示技术，胆甾型液晶显示可采用无源矩阵方式进行驱动，不需要背光源和偏振片。若需要获得彩色显示，可以通过
液晶
关于液晶的初步了解 物理系光信息科学与技术1091120205 王建俊液晶是一种新型材料，对于我们学光学的学生来说有很大的研究价值，有很多关于这种新型材料的研究成果等待着我们这一代人去探索发现。 液晶的发现可以追溯到十九世纪末，它是由奥地利植物学家斐德烈莱尼泽在做加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。就是由这种前所未有的现象才拉开了液晶研究的序幕。 液晶实际上是物质存在的一种状态，也有人将液晶称为物质的第四态。从不同的角度可以对液晶进行不同的分类。 一种分类方法将液晶分成两类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。 还有一种分类将液晶分为向列型，近晶型，胆甾型等。向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料；近晶型液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性；胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。 液晶作为一种新型的物质，具有不同于普通物质的性质。特别是在光学性质方面由于它的特殊的结构使它具有非同寻常的特征。
大物实验4——液晶的电光特性(二)
液晶的电光特性（二） 实验目的 1、测量液晶扭曲角； 2、对比度的测量； 3、上升沿时间T1 与下降沿时间T2的测量； 4、通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸； 5、观察、测量衍射斑的偏振状态； 实验原理 1、液晶的分类及特点： 大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。 根据排列的方式不同，液晶一般被分为三大类 1）近晶相液晶；这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。且垂直或倾斜于层面。 2）向列相液晶；这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再
分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。 3）胆甾相液晶；这种液晶的结构特点是：分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一种螺旋结构。 2、液晶盒： TN型液晶盒结构如图1所示 1.电极 2.液晶 3.7.配向膜 4.6玻璃 5.胶框 图1 TN型液晶盒结构图 在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，四周用密封材料（一般为环氧树脂）密封。玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到
下玻璃片扭曲了90度，所以称为扭曲向列型。 3、液晶对外电场的响应速度： 液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般来说液晶的响应速度是比较低的。我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度情况。 实验仪器介绍： 主机箱“液晶驱动电源”主要功能为液晶合的工作电压、间歇频率、驱动频率的调节，以及液晶合的工作状态等。各面板元器件作用与功能如下：液晶实验主机前面板 1）表头：3位半数字表头，用于指示液晶合工作电压的大小，可通过驱动电压旋钮进行调节。
胆甾相液晶可见光布拉格反射实验
胆甾相液晶可见光布拉格反射实验 阮 亮 丁慎训 杨秀珍 (清华大学现代应用物理系，北京 100084) 摘 要 胆甾相液晶可见光反射行为，在某种意义上与晶体粉末样品X光衍射相似，本文主要提供一个巧妙而又直观的布拉格反射实验方法，并测量胆甾相结构周期——螺距与温度的关系，进而揭示胆甾相液晶热色效应的机理. 关键词 胆甾相液晶；布拉格反射 分类号 O 734.2 研究布拉格反射规律通常是使用X射线或微波，本文则提供了一个更直观的实验来达到这一目的.实验用胆甾相的多畴螺旋结构代替晶体粉末样品，由胆甾相螺旋结构的周期——半螺距P/2代替晶体的晶格常数a，用可见光来代替X射线或微波，既可用肉眼观察，又可用实验装置定量的测量. 为了进一步阐明实验原理，有必要对物质中介态——液晶态作一简单介绍.某些具有各向异性的分子(如棒状、板状、盘状)组成的有机化合物可以为液晶，它是一个介于固相和液相之间的中介相，加热过程中液晶有一个固相到液晶相转变的温度T m(熔点)，继而有一个液晶相到各向同性液相的转变温度T c(清亮点——由混浊的液晶相变为清彻透明的液相而得名)，因此，仅在T m～T c温度范围内为液晶相.它具有晶体的各向异性，又具有液体的流动性，此类液晶属热致液
晶，其结构可分为三大类：近晶型、向列型、胆甾型，分别如图1的(a)、(b)、(c).向列相中长棒状分子的位置是无序的， 图1 液晶的分子排列 但分子取向是有序的，沿某一从优方向取向，此从优方向用一单位矢量n(称为指向矢)来描述，液晶相中n和-n是不可区别的.胆甾相可以认为是螺旋向列相，指向矢n在空间不是恒定的，沿螺旋轴(光轴)螺旋状旋转.胆甾相结构沿光轴呈周期变化，由于n和-n的等价性，所以其重复周期为半螺距P/2.由于其结构的特征，胆甾相光学性质是独特的，指向矢n旋转上千圈/mm；又由于半螺距的典型值约为 3 000，它远大于分子的线度，与可见光波长相当，所以这种周期结构可以产生可见光的布拉格反射.当然，胆甾相螺距由材料本身的组分确定，并随外界温度(电场、磁场等因素)而变化，产生色彩鲜明的布拉格反射谱，形成有趣而实用的胆甾相热色(温度)效应(电光、磁光效应)，较固定晶格常数的晶体具有更丰富、更奇妙的性质.
第三章 第2、3节 半导体 液晶
第2、3节半导体__液晶 一、半导体及常见半导体元件 1．半导体 (1)概念：导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。 (2)特性： ①半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间。 ②通过控制半导体材料的杂质浓度，可以控制半导体的导电性能。 ③一般情况下，金属导体的电阻率与温度呈线性关系，而半导体的电阻率与温度的关系较为复杂。 (3)应用：在信息技术、自动控制、现代照明系统等方面应用广泛。 (4)分类：N型半导体和P型半导体。 2．晶体管和集成电路 (1)晶体管 ①二极管：由PN结合成，具有单向导电性。 ②三极管：具有放大作用。 (2)集成电路：由成千上万个二极管、三极管、电阻和电容等元件构成的芯片，其作用是对信息进行存储、处理、控制和显示。 (3)光敏电阻：一种受光照射，电阻率迅速下降的半导体器件，常用于一些自动控制的装备中。 (4)热敏电阻：在温度变化时，电阻率迅速变化的半导体器件。一种是负温度系数热敏电阻；一种是正温度系数热敏电阻。 (5)发光二极管：通电后能发光的半导体元件。 二、液晶 1．液晶 (1)液晶态：处于固态与液态之间的过渡状态。 (2)液晶：处于液晶态的物质。 2．结构 分子排列的有序性介于固体和液体之间。 3．液晶显示 (1)液晶分子的排列会因外界条件的变化而变化，由此引起液晶光学性质的改变。
(2)液晶显示器的应用非常广泛。 1．判断：(1)控制半导体材料的导电性能可通过控制掺入杂质的浓度来控制。() (2)二极管具有放大电流的作用。() (3)发光二极管只能发出微弱的红光和绿光，不能用来照明。() 答案：(1)√(2)×(3)× 2．思考：：观察图片思考一下液晶显示是如何发展起来的？ 提示：液晶分子的排列顺序会因温度、压强、电磁作用等外界条件的微小变动而发生变化，由此引起光学性质的改变，液晶显示就是利用这些性质而发展起来的。 1. (1)半导体二极管： ①半导体二极管具有单向导电性，即仅允许电流由一个方向通过元件； ②半导体二极管的应用：检波、鉴频、限幅、电源设备的整流电路、电源供给电路中的稳压等均应用了半导体二极管。 (2)发光二极管：多在电路及仪器中用作指示灯，或组成文字、数字进行显示，也可用作照明。 (1)热敏电阻的电阻率随温度升高可减小也可增大，光敏电阻在光照条件下电阻率迅速减小。
液晶的电光特性实验报告含思考题
液晶的电光特性实验报 告含思考题 Revised as of 23 November 2020
西安交通大学实验报告 第 1 页（共 9 页） 课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日 专业班号______组别_______交报告日期：年月日 姓名__Bigger__学号__报告退发：（订正、重做） 同组者__ ________教师审批签字： 实验名称：液晶的电光特性 一、实验目的 1)了解液晶的特性和基本工作原理； 2)掌握一些特性的常用测试方法； 3)了解液晶的应用和局限。 二、实验仪器 激光器，偏振片，液晶屏，光电转换器，光具座等。 三、实验原理 液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状，长度在十几埃，直径为4～6埃， 液晶层厚度一般为5-8微米。排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲 向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天 然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。扭曲向列排列的液晶对入 射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲 方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两 基片之间的取向夹角。
对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。这也称为退螺旋效应。由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。根据液晶分子的结构特点,假定液晶分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图1中的排列形式。这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图1 液晶分子的扭曲排列变化 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方
胆甾相液晶的光学性质
?一、胆甾相液晶的光学性质 胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。 （1）选择性反射 有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。 一级反射光的波长为： λ=2nPsinφ 其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为 入射波与液晶表面的夹角。 （2）旋光效应 在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。 （3）圆二色性 圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。 二、胆甾相液晶的电光效应
液晶高分子综述
课程论文 论文题目: 液晶高分子合成设计综述 学院 : 理工学院 专业 : 材料科学与工程专业 指导老师 : 姓名： 学号 : 2012年1月2日
液晶高分子材料合成设计综述 题目：液晶高分子合成设计综述 单位：理工学院材料系 作者; 摘要简单介绍了高分子液晶材料的发展历史，性能及应用，对其制备方法及分子设计进行了叙述。 Abstract We briefly introduces the history of the development of liquid crystal polymer materials, performance and application. Its preparation method and molecular design are described in detail. 关键词液晶高分子合成分子设计研究进展综述 １引言 液晶高分子是近十几年迅速兴起的一类新型高分子材料]1[。它具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率、低密度、良好的介电性、电致变色性、阻燃性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能,作为液晶自增强塑料、高性能纤维、板材、薄膜及光导纤维包覆层,LED显示材料，被广泛应用于电子电器、航天航空、国防军工、光通讯等高新技术领域以及汽车、机械、化工等国民经济各工业部门。正是由于其优异的性能和广阔的应用前景,使得高分子液晶成为当前高分子科学中颇有吸引力的一个研究领域。本文将对其制备合成方法的研究现状做出叙述和评价。
2 液晶高分子材料 从高分子科学本身来讲,其历史短于液晶研究的历史,早在1888年奥地利植物学家F.Reinitzer就发现了液晶,但直到1941年Kargin提出液晶态是聚合物体系的一种普遍存在状态,人们才开始了对高分子液晶的研究。1966年,杜邦公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制备出了高强度、高模量的商品纤维——Fibre B,使高分子液晶研究走出了实验室。20世纪70年代,杜邦公司的Kevlar 纤维的问世和商品化开创了高分子液晶的新纪元。接着,美国人Economy和前苏联的Plate和Shibaev分别合成了热熔型主链聚酯液晶和侧链型液晶聚合物。20世纪80年代后期,德国的Rings-dorf合成了盘状主侧链型液晶聚合物。到目前为止,高分子液晶的研究已成为高分子学科发展的一个重要方向。目前,高分子液晶的分类方法主要有两种。一种从液晶的形成过程考虑,将其分为热熔型和溶液型两类;另一种是从高分子的分子结构入手,将其分为主链型和侧链型两类]2[。 图1 液晶高分子的分类示意图 3 液晶高分子材料合成设计方法