结构色可调的液晶/银等离子体复合光功能材料的构建与动态调控机制

This application project is to carry out the investigation of liquid crystal (LCs)/Silver (Ag) nanostructure metamaterials based on the plasmonics resonance effect and dynamic switching mechanisms of their structure color. In this study, we will fabricate LCs/Ag nanocavity nanostructure functional materials by using nanoimprinting technology. Firstly, on the basis of establishment of the theoretical models and adequate theoretical analysis in accordance with finite difference time domain, we will prepare a novel series of the LCs small molecules and LCs network polymers (LCs elastomeric polymers) with the high refractive index, which can be switched by external fields, such as photo, electric, temperature and so on. And we further experimentally demonstrate that the relationship between the molecule structure, the refractive index of the LCs, and the molecular orientation of the effective refractive index tuned by external fields. Based on this, we utilize the flexible nanoimprinting technology to fabricate high-precision one-dimensional and two-dimensional LCs/Ag and LCs network polymers/Ag nanograting. This section will focus on precise control of the process parameters, the relationship between the spectrum position (structural color) and molecular orientation (the effective refractive index) under the external fields, and also investigate the realization of the large shift of the structure color and regulation mechanisms. Finally, the panchromatic plasmonic color arrays and their active switching will be investigated. The research studied here will open up a new way to achieve a new kind of LCs/metal plasmonics nanostructure optical functional materials and devices.

本申请课题旨在开展基于等离子体共振效应的液晶/银纳米复合光功能材料及结构色动态调控机制的研究。本研究采用纳米压印技术制备具有液晶/银纳米光栅结构的等离子体复合光功能材料。首先，在依据时域有限差分原理建立理论模型和充分理论分析的基础上，开展可光电调控的新颖结构的高折射率小分子液晶和液晶网络聚合物（液晶弹性体聚合物）的研究，研究液晶分子结构与折射率，以及光电等外场调控下液晶分子取向对有效折射率的影响；与此同时，采用柔性纳米压印技术制备高精度一维和二维银纳米结构光栅和液晶网络聚合物/银纳米结构光栅。研究获得高精度纳米结构的工艺参数，研究光电等外场调制下液晶分子取向、有效折射率与波谱位置（结构色）之间的关联关系，以及实现大结构色迁移的方法和调控机制。最后，在以上研究基础上，开展多色等离子体结构色阵列及其动态调控的研究。本项目的开展将为液晶/金属等离子体纳米复合光功能材料的研究开辟一条新的途径。

本课题涉及结构色可调的液晶/金属银等离子体复合光功能材料的构建与动态调控机制的研究，本研究从金属纳米结构的等离子体共振效应（SPR）出发，将金属纳米结构与液晶小分子或液晶弹性体复合，搭建了几类结构色可调的液晶-金属纳米复合光子材料体系，主要研究成果如下： .1）首先开展了基于法布里-珀罗腔（ F-P cavity）原理的银纳米结构彩色滤光片的研究。该金属彩色滤光片由纳米银金属层-聚甲基丙烯酸甲酯介电层-纳米银金属层的MDM三层叠加结构组成。进一步将其作为彩色滤光片和电极用于制备新型的液晶显示器件中。在此基础上，进一步制备了上层为碗形铝纳米结构的MDM三层叠加的金属纳米结构，并对电场调控下其与液晶复合光子体系的SPR性能进行了研究。.2）将银纳米粒子阵列与液晶弹性体（LCE）复合，制备了银纳米阵列/LCE复合材料，通过温度控制实现了对复合材料SPR效应的动态调控。并针复合材料的特点设计了“热伪装皮肤”和“温敏可变色驱动开关”的应用。并进一步将此类结构应用于介电性的光子晶体与LCE复合材料中，在构筑的三个复合材料体系中，分别研究了结构色的温度调控、形状和结构同时调控以及形状记忆性能等。.3）制备了银纳米粒子/蓝相聚合物模板复合材料，并对复合材料的光学活性和介质敏感性进行了研究。复合材料的圆二色谱在银纳米粒子SPR波长处有特征信号，并且对周围介质非常敏感。研究表明：复合材料的手性驱动力来源于蓝相模板所记忆的蓝相周期立方结构。银纳米粒子负载在聚合物网络表面形成了金属-介电层界面，当银纳米粒子的SPR被激发时，由于银纳米粒子宏观的手性组装，复合材料会在特征波长处产生圆二色谱信号。.4）将经过聚合物表面修饰后的金纳米棒（GNRs）引入到LCE体系中，制备了以LCE为主，GNRs为宾的液晶复合光子材料。利用液晶材料独特的长程有序排列的特点来诱导GNRs的取向，并通过紫外（UV）光固化将这种取向固定下来。由于GNRs在几何结构上的非对称性，使得其SPR有双吸收波段，在液晶的诱导取向下，GNRs在偏振片下出现二向色的变化。这种LCE-GNRs复合体系能将由液晶诱导的GNRs长程取向固定下来，从而实现不同区域的结构色的差异化。. 总之，本项目的开展为液晶-金属纳米复合光子材料的制备及其在新型显示、传感器及其它智能材料领域的应用提供了一些新的方法和思路。