CN101872081B

CN101872081B - 光致形变液晶高分子三维可调谐光子晶体及其制备方法

Info

Publication number: CN101872081B
Application number: CN2010101979938A
Authority: CN
Inventors: 赵新; 纪新明; 吴伟; 程伏涛; 俞燕蕾; 黄宜平
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2030-06-10
Also published as: CN101872081A

Abstract

本发明属于液晶高分子材料技术领域，具体为一种光致形变液晶高分子可调谐光子晶体及其制备方法。本发明先设计出可见光内的三维光子晶体图形结构，制作出SiO₂模板，再采用纳米压印等技术将SiO₂上的光子晶体结构转移到液晶上。将本发明制得的液晶光子晶体置于玻璃基底上，通过控制外加调制光的强度、入射角度、曝光时间、外界温度的变化使得液晶由向列相转化为同性相，从而改变光子晶体的三维结构参数，使光子禁带的位置发生偏移。该光子晶体可用以设计偏振片、全光光开关、全光可调光衰减器等，以提高微流控、生物监测传感器的检测精度。

Description

光致形变液晶高分子三维可调谐光子晶体及其制备方法

技术领域

本发明属于液晶高分子材料技术领域，具体涉及一种光致形变液晶高分子可调谐光子晶体及其制备方法

背景技术

光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。理论和实验证实频率处于禁带内的光子无法在光子晶体内部传播，因此人们可以利用光子晶体来操纵光子。光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质，例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等。这些性质使得光子晶体成为光子技术中的一个基础性的材料，具有广泛的应用价值。

一般制备的光子晶体结构都是不可调的，其结构参数是固定的，因此光子禁带位置也是不变的。如果通过施加电场、磁场或者改变温度来改变材料的介电常数、晶格结构等参数，实现对光子晶体的禁带可调，那必然将产生一系列的新效应、新现象，使基于光子晶体的材料有更广泛的应用。

理论上通过控制介质的介电常数差、填充比以及晶体晶格结构等因素中的一个或几个便可以制作出可调光子晶体。目前制备可调的光子晶体所用的材料有液晶、铁电、水凝胶等。

基于铁电材料的光子晶体和传统的液晶光子晶体一般是通过外加电场和磁场来调节材料的介电常数从而实现光子禁带的变化。基于水凝胶的光子晶体一般是通过外加温度的方式改变光子晶体的二维形变来调节光子晶体表面结构的填充比从而实现光子禁带的变化。以上结构往往需要外加复杂的调制设备，外加激励后结构变化所需的时间较长，而且其光子晶体的形变被限制在二维的范围内。本发明设计和制作的高性能光致形变液晶高分子可调光子晶体采用紫外光和可见光这种清洁能源作为调制激励，在短时间内完成光子晶体结构在三维的空间上的变化和恢复从而使光子晶体达到更好的窄带滤波效应和光开关特性。

目前基于液晶可调谐光子晶体的制备是采用自组装的方式形成SiO₂、PS(polystyrene，聚苯乙烯)、PMMA等胶体粒子的晶体结构，然后把液晶材料填充在胶体粒子间隙中。但是采用自组装的方法制备光子晶体，制备步骤多，技术难度大，并且制作过程中难以引入谐振腔等缺陷，不能很好的利用具有谐振腔的光子晶体的特性。为此，本发明提出一种直接利用流体铸模和纳米压印等技术制作液晶三维维光子晶体的方法。然后可以通过改变调制光源的强度、入射角度、曝光时间、外界温度等来调节液晶光子晶体的晶格常数，从而实现改变光子禁带特性。该方法制备工艺简单，制作周期短，成本低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工序简单、快捷有效形成三维光子晶体并可以简单调谐光子带隙的方法，并提供光致形变液晶高分子三维可调谐光子晶体。

本发明先设计出可见光内的三维光子晶体图形结构，制作出SiO₂模板，再采用纳米压印等技术将SiO₂上的光子晶体结构转移到液晶上。液晶材料可选用偶氮苯、1，2-二苯乙烯、俘精酸酐的聚合物。具体步骤和装置如图1和图2所示：

1、采用集成电路工艺制作出SiO₂模板，如图1(a)所示，制作出的模板如图3所示。如：(a)蜂窝结构，(b)正六角形结构，(c)正方形结构等。

2、在暗室中，在反应前体混合物的清亮点温度90℃之上，将硅基模板置于热台上，将所述混合物放在硅基模板上，如图1(b)所示。

3、当所述混合物融化为液态后将准备好的载玻片置于混合物之上，如图1(c)所示。降温至聚合温度60℃后，打开汞灯用波长为545nm的光进行光聚合，聚合时间为2.5-3.5小时。

4、光聚合结束后，取出模板，用锋利清洁的刀片将薄膜从硅基膜板上剥离下来，即得到交联液晶高分子薄膜，如图1(d)所示。其俯视图如图4所示。

本发明将液晶光子晶体置于玻璃基底上，通过控制外加调制光的强度、入射角度、曝光时间、外界温度的变化使得液晶由向列相转化为同性相，从而改变光子晶体的三维结构参数，即周期性排列图形的形状、尺寸、孔间距、孔深度等，使光子禁带的位置发生偏移。

本发明基于纳米压印技术的液晶可调谐光子晶体具有广泛的应用，不仅可以设计偏振片、全光光开关、全光可调光衰减器，还可以提高微流控、生物监测传感器的检测精度。

附图说明

图1制备液晶光子晶体的流程图示。其中：(a)制作模板；(b)将混合物放在硅基模板上；(c)将准备好的载玻片置于混合物之上；(d)将薄膜从硅基膜板上剥离下来。

图2光聚合的装置图示。

图3设计并制作的Si基光子晶体模板(俯视图)。其中：(a)蜂窝结构；(b)正六角形结构；(c)正方形结构。

图4由Si基模板压印得到的液晶光子晶体(俯视图)。其中：(a)蜂窝结构；(b)正六角形结构；(c)正方形结构。

图5光调制原理图示。

具体实施方式

液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的状态，它兼具“液”和“晶”的两种特性，即液体材料的流动特性和晶体材料各向异性的有序排列，所以有人称之为“可流动的有序结构”。按照液晶相的不同，可分为向列相液晶、近晶相液晶和胆甾相液晶。按照液晶材料分子量的大小可分为小分子液晶(例如液晶显示器中液晶材料)和高分子液晶(例如防弹衣材料)。和小分子液晶相比，高分子液晶具有较好的热稳定性和机械强度，和其他高分子相比，它又具有液晶相所特有的分子有序结构，因此，具有高分子量和有序结构双重特点的液晶高分子得到了广泛的应用。

本发明制作可调谐光子晶体选用的高性能光致形变液晶高分子材料具有光敏性和温敏性，可随入射光强度、入射光角度、温度变化而在三维空间上产生形变，从而改变光子晶体的尺寸使得光子禁带发生偏移。发明中采用的液晶材料是交联液晶高分子CLCPs(Crosslinked Liquid-crystalline Polymers)薄膜。

制备过程如下：

1)模板的制备

通过计算机仿真，设计出蜂窝、正六角形、正方形结构的光子晶体，孔径尺寸为3～5微米，首先制作出如图3中a、b、c所示Si基的光子晶体结构。

2)材料的制备

首先配制出反应前体混合物，将按4∶6摩尔配比的氧基偶氮苯和苯甲酰氧基甲基苯混合物用二氯甲烷溶剂完全溶解，然后在暗室中加入光引发剂，充分混合使其完全溶解，然后将溶剂蒸干，用铝箔包裹后放在真空干燥器中45--50℃干燥20-24小时后待用。

3)液晶光子晶体的制备

本发明制备液晶高分子可调谐光子晶体的流程和具体装置如图1和图2所示。

a)在暗室中，在混合物的清亮点温度90℃之上，将硅基模板置于热台上，将混合物放在硅基模板上，如图1(b)所示。

b)当混合物融化为液态后将准备好的载玻片置于混合物之上，如图1(c)所示。降温至聚合温度60℃后，打开汞灯用波长为545nm的光进行光聚合，聚合时间为3小时。

c)光聚合结束后，取出模板，用锋利清洁的刀片将薄膜从硅基膜板上剥离下来，即得到CLCPs薄膜，如图1(d)所示。其俯视图如图4所示。

当外加紫外光后，液晶高分子光子晶体表面部分的晶向由“向列相”向“同性相”转变，液晶偶氮苯基元发生顺式异构化光致变从而产生了三维空间的形变。当外加可见光后，液晶偶氮苯基元发生逆式异构化光致变从而恢复到紫外光光照前的原有形状，如图5所示。由于光子晶体表面结构的晶格常数发生了变化，从而导致光子晶体的光子禁带的位置发生偏移。

Claims

1.一种光致形变液晶高分子三维可调谐光子晶体的制备方法，其特征在于：先设计出可见光内的三维光子晶体图形结构，制作出SiO₂模板；再采用纳米压印技术将SiO₂模板上的光子晶体结构转移到液晶上；液晶材料选用偶氮苯、1，2-二苯乙烯、俘精酸酐的聚合物；其操作步骤如下：

(1)、采用集成电路工艺制作出SiO₂模板，该三维光子晶体图形结构为蜂窝结构、正六角形结构、正方形结构；

(2)、在暗室中，在反应前体混合物的清亮点温度90℃之上，将所述模板置于热台上，将所述混合物放在模板上；

(3)、当所述混合物融化为液态后，将准备好的载玻片置于混合物之上，降温至聚合温度60℃后，打开汞灯用波长为545nm的光进行光聚合，聚合时间为2.5-3.5小时；

(4)、光聚合结束后，取出模板，将薄膜从模板上剥离下来，即得到所需的交联液晶高分子薄膜。