结构化表面锚定控制液晶软光子晶体材料的定域生长、微图案化及性能研究

The blue phase liquid crystal (BPLC) is a typical soft photonic crystalline material, which has exhibited sufficient specific advantages in applications. The crystallographic orientation of BPLC is commonly random, however the recent study indicated that the uniformity of such orientation can enhance the photonic properties of BPLC, exhibiting an improved electro-optical performance and a restrained light scattering, thus motivating the advanced applications of BPLC. Inspired by the prior study, we have attempted to control a regional, ordered and uniform growth of BP soft photonic crystal, thus generating a micro-pattern of alternate uniform-and-random distributed crystallographic orientation of BP lattice and exploring the new photonic properties of such micro-patterns. Whereas, the traditional concept of orientation-free of BPLC leads to the less attention and concern on the regional, ordered and micro-patterning of the controllable lattice growth of BPLC, and results in the uncontrollable and blind optimization of the preparation and designing of materials, which finally influence the manipulation and photonic performances of BPLC. So that, in this project, we plan to start from the mechanical study of the regional, ordered, micro-patterned and controllable growth of BP soft photonic crystal in the circumstance of a patterned orientation on the surface of cell substrates, followed by the optimization of preparations and properties of materials and exploration the manipulation and photonic investigation of such micro-patterns, and finally try to the development of corresponding new potential applications.

蓝相液晶是典型的软光子晶体材料，在显示与先进光学器件中展现独特的优势。蓝相晶格取向通常随机，然而近期研究发现均匀的晶格指向能增强其光子晶体特性，改善电光性能，抑制光散射，激发光学新应用的诞生。受此启发，我们通过液晶盒表面结构化取向锚定控制蓝相晶格的定域、有序生长，形成晶格指向均匀-随机交替变化的微图案结构，探索微图案化蓝相体系的新光学性质，并应用于器件。然而由于传统观念认为蓝相液晶不依赖取向，因而对其定域、有序、微图案化的可控生长问题鲜有关注、机理模糊，导致制备条件和材料选择上的盲目与不可控，最终影响材料的外场操控和光学性能。为此，本项目拟通过结构化取向对蓝相软光子晶体的定域、有序、微图案化可控生长机制进行研究，优化制备条件和材料性能，探索晶格指向微图案化蓝相体系的外场操控与光学性能，并尝试开发光学新器件。

液晶具有长程有序特性，通过分子自组装可形成规则的微结构，表现出光子晶体效应。液晶同时具有外场响应性，通过电、光、热、磁等外场可调控其组装结构，从而控制光学效应，因而液晶光子晶体也是一种典型的软物质光子晶体。研究表明，通过表面锚定作用可以控制液晶光子晶体的生长，从而打开了表面作用调控组装结构和光学效应的大门。. 本项目从结构化表面锚定入手，进行液晶光子晶体定域生长、微图案化及相应光学性能的研究。具体进行了以下四方面研究：1）表面取向作用下的液晶光子晶体定域化指向控制的机制、界面分子相互作用机理；2）取向易受控液晶光子晶体材料制备及定域控制分辨率；3）结构化表面取向液晶光子晶体的外场可控性、光学性质及光学调制深度；4）基于定域化微图案结构的光学器件设计，探索光与结构的相互作用，开发新颖光学原理性器件。通过上述研究，该项目获得了如下成果：1）建立了表面锚定作用对液晶光子晶体指向的作用模型，阐明取向控制的作用机理来源于界面分子相互作用与液晶分子长程有序的耦合；2）结合分子设计制备易受表面锚定控制且具备精准图案化定域控制的液晶材料体系；3）获得图案化定域锚定条件下液晶光子晶体光电响应性能、光学性能及在反射、衍射、激射等方面的光学新现象，建立构效关系；4）设计开发性能优、操控佳的新型光学原理性器件，并摸索出一套基于表面定域锚定设计制备光学器件的方法。. 上述研究在传统力、热、光、电、磁外场调控液晶组装结构的基础上探索了一条通过结构化表面场调控、制备液晶光学器件的新方式，为软物质光学应用及相关领域的研究提供了第一手资料。