CN105652487A - 金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关及其制备方法和使用方法 - Google Patents

金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关及其制备方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，该液晶光开关包括石英基板，两块石英基板形成一端开口的腔室，石英基板的四周用热封层完全热封封闭，所述腔室的内壁上均涂覆有ITO薄膜层，所述ITO薄膜层上均涂覆有金属纳米颗粒层，所述腔室中灌有液晶分子和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒，灌入液晶分子和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒后，腔室的开口端热封封闭。本发明泵浦光照射石英基板，引起金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应，使液晶分子取向发生偏转，改变了信号光的透射光强，由此形成开关效应；金属纳米颗粒的存在明显降低液晶光开关的阈值光强，开关的响应速度也明显提高，在未来全光器件和全光通信中有可观的应用前景。

Description

金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关及其制备方法和使用方法
技术领域
本装置涉及液晶光开关，具体涉及一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关及其制备方法和使用方法。
背景技术
随着人类科技的飞速发展，光通信领域也蓬勃发展。光子无论在传输速度还是信息携带量方面都远胜电子，各种全光器件应运而生。全光开关是其中最为常见的全光器件，液晶光开关又是全光开关中应用最为广泛的一种。
液晶光开关采用一束泵浦光控制液晶分子的取向排列来改变探测光的透射光强，从而实现开关作用。开关阈值光强和开关响应速度是全光开关最重要的两个参数。纯液晶全光开关的开关阈值很高，并且响应速度也比较慢，因而衍生出很多的改进工作，其中影响最大的是在液晶中掺杂入染料分子，其光开关阈值可以有2个量级的降低。然而染料分子本身存在光漂白和光破坏，使用寿命不长，短时间内很难再有突破性的进展；通过改善液晶材料的性质也可以适当降低开关阈值和提高响应速度，然而对液晶新材料的寻找也不是短时间之内可以看到明朗的前景。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关及其制备方法和使用方法，能够以降低全光开关阈值、提高开关响应速度，在光开关和光通信领域有着极好的应用潜力和前景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，该液晶光开关包括石英基板，两块石英基板形成一端开口的腔室，石英基板的四周用热封层完全热封封闭，所述腔室的内壁上均镀有ITO薄膜层，所述ITO薄膜层上均涂覆有金属纳米颗粒层，所述腔室中灌有液晶分子和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒，灌入液晶分子和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒后，腔室的开口端热封封闭。
所述金属纳米颗粒层的厚度为10-80nm。
所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒在腔室内壁单层分布。
所述金属纳米颗粒在腔室内壁单层分布的覆盖率为75-78%。
所述金属纳米颗粒层为金纳米颗粒层，经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒为金纳米颗粒。
所述金属纳米颗粒层为银纳米颗粒层，经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
所述腔室的宽度为5微米到300微米，所述石英基板厚度为毫米量级。
一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将石英基板的四周通过热封封闭组成一个一端开口的腔室，在所述腔室的内壁表面均镀有透明的ITO导电膜；
第二步，将一部分金属纳米颗粒通过物理吸附作用分散沉积在ITO导电膜表面，金属纳米颗粒在ITO导电膜表面单层分布形成紧密排列的单层分布，单层金属纳米颗粒密集分布但不相互叠加，金属纳米颗粒在ITO导电膜表面的覆盖率不低于30%；
第三步，将另一部分金属纳米颗粒表面经过表面活性剂修饰形成全包裹的修饰层，然后将修饰后的金属纳米颗粒加入液晶分子中并灌入腔室中，在腔室中形成以金属纳米颗粒为核心液晶分子包裹的球体，受液晶分子保护后，金属纳米颗粒之间分散状分布；即金属纳米颗粒就很少再有碰撞团聚的机会，因而金属纳米颗粒可以很好地分散在液晶之中，液晶分子通过定向摩擦作用在空腔中平行排列，其定向排列的好坏取决于液晶分子和ITO薄膜之间的锚定力大小，锚定力越大，定向排列越好，液晶分子转动的阻力就越大；
第四步，通过热封封闭腔室的开口端。
所述表面活性剂通过官能团分子一端与金属纳米颗粒进行螯合，官能团分子另一端与液晶分子进行螯合，从而在金属纳米颗粒表面形成单层的表面活性剂层之后，在表面活性剂层外覆盖一层液晶分子。
一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的使用方法，包括以下步骤，
第一步，采用探测光作为信号光，采用泵浦光作为控制光，所述探测光和泵浦光同时照射在石英基板的外表面，泵浦光的光斑覆盖探测光的光斑；在信号光的入射端设置起偏器，在信号光的出射端设置检偏器，所述起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直；当没有泵浦光照射时，信号光通过起偏器变成偏振光，经过液晶开关之后到达检偏器，由于起偏器和检偏器的偏振方向垂直，信号光无法通过检偏器，此时开关为关闭状态；
第二步，当泵浦光施加在液晶分子上的转动力矩克服石英基板对液晶分子的锚定力，液晶分子的排列方向发生改变，从而使信号光的偏振状态由线偏振变成椭圆偏振，此时信号光到达检偏器之后，将有部分强度可以通过，此时开关为开启状态，实现液晶光开关的功能，透过光强的大小取决于泵浦光的强弱。
与现有技术相比，本发明的优点为：①本发明整体结构简单，装置简单明了，结构紧凑，易于制作，热封起密封液晶分子的作用，ITO薄膜用于对液晶分子进行取向定向作用；②分别将金属纳米颗粒沉积在ITO薄膜上、部分金属纳米颗粒溶解在液晶分子中，都可以在泵浦光照射时利用金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应，降低液晶分子在ITO薄膜表面的锚定力，开关阈值可以明显降低，同时也加快了液晶分子对电场的响应速度，实验发现采用532纳米光作为泵浦光，其开关阈值可以降低1-2个量级，响应速度可以提高2倍以上；③在金属纳米颗粒表面进行表面活性剂修饰，保证了金属纳米颗粒在与液晶分子混合的时候分散分布，减小液晶分子之间的阻力，使液晶分子的方向易于改变；④目前是通过电学传导控制光学开关，本发明是通过光能控制光学开关，实现光控制光，本发明可以采用不同的金属材料和纳米结构，还适用于当前大部分液晶材料，其在全光开关领域的潜在应用巨大。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A区域的放大图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关及其制备方法和使用方法，但不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，该液晶光开关包括石英基板1，所述石英基板厚度为毫米量级，两块石英基板形成一端开口的腔室2，所述腔室的宽度即腔室中液晶填充的厚度为5微米，石英基板的四周用热封层3完全热封封闭，所述腔室的内壁上均镀有ITO薄膜层4，所述ITO薄膜层上均涂覆有金属纳米颗粒层，所述腔室2中灌有液晶分子5和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒6，灌入液晶分子和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒后，腔室的开口端7热封封闭。
本实施例中金属纳米颗粒层为金纳米颗粒层，金纳米颗粒层的厚度为10nm；经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒为金纳米颗粒，金纳米颗粒的粒径为30nm，
作为优选，本实施例金纳米颗粒层中金纳米颗粒在腔室内壁单层分布，单层分布的覆盖率为75%。
本实施例金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将石英基板的四周通过热封封闭组成一个一端开口的腔室，在所述腔室的内壁表面均镀有透明的ITO导电膜；
第二步，将一部分金纳米颗粒通过物理吸附作用分散沉积在ITO导电膜表面，金纳米颗粒在ITO导电膜表面单层分布形成紧密排列的单层分布，单层金纳米颗粒密集分布但不相互叠加，金纳米颗粒在ITO导电膜表面的覆盖率为75%；
第三步，将另一部分金纳米颗粒表面经过表面活性剂修饰形成全包裹的修饰层，然后将修饰后的金纳米颗粒加入液晶分子中并灌入腔室中，在腔室中形成以金纳米颗粒为核心液晶分子包裹的球体，所述表面活性剂通过官能团分子一端与金纳米颗粒进行螯合，官能团分子另一端与液晶分子进行螯合，从而在金纳米颗粒表面形成单层的表面活性剂层之后，在表面活性剂层外覆盖一层液晶分子，受液晶分子保护后，金纳米颗粒之间分散状分布；本实施例第三步中官能团的选择依据是金纳米颗粒表面用来修饰的表面活性剂的电性，因为金纳米颗粒表面是柠檬酸三钠覆盖，因此整个颗粒是带有负电荷的，所以需选取带有正电荷的官能团进行螯合，比如带有S和N原子的正电荷的基团，本实施例中具体采用的表面活性剂为4-Sulfanylphenyl-4-[4-(octyloxy)phenyl]benzoate(SOPB)Thiol；
第四步，通过热封封闭腔室的开口端。
本实施例中所述的石英基板是市场上常见的商用产品，所述的热封层是热固化胶，所述的ITO薄膜是铟锡金属氧化物薄膜，所述的金纳米颗粒直径为30纳米，通过柠檬酸三钠还原氯金酸溶液获得，再通过物理吸附作用沉积ITO薄膜表面；所述的液晶为向列相5CB液晶，液晶中掺杂的金纳米颗粒是通过对金纳米颗粒进行表面修饰后溶解到5CB液晶之中。液晶分子通过锚定作用和ITO薄膜相接触，并且通过该锚定作用使得液晶分子整体垂直于ITO薄膜表面排列，原理上要使液晶分子发生整体转动，首先需要克服ITO薄膜对和其接触的液晶分子的锚定力，而泵浦光照射就是在液晶分子上额外提供一个力矩，用于克服锚定力的影响。
本实施例金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的使用方法，其特征在于包括以下步骤，
第一步，采用探测光8作为信号光，探测光的波长为1064纳米的连续光，采用泵浦光9作为控制光，泵浦光是波长为532纳米的连续光，所述探测光和泵浦光同时照射在石英基板的外表面，泵浦光的光斑覆盖探测光的光斑；在信号光的入射端设置起偏器10，在信号光的出射端设置检偏器11，所述起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直；当没有泵浦光照射时，信号光通过起偏器变成偏振光，经过液晶开关之后到达检偏器，由于起偏器和检偏器的偏振方向垂直，信号光无法通过检偏器，此时开关为关闭状态；
第二步，当泵浦光施加在液晶分子上的转动力矩克服石英基板对液晶分子的锚定力，液晶分子的排列方向发生改变，从而使信号光的偏振状态由线偏振变成椭圆偏振，此时信号光到达检偏器之后，将有部分强度可以通过，此时开关为开启状态，实现液晶光开关的功能，透过光强的大小取决于泵浦光的强弱，其中泵浦光首先照射到沉积在ITO薄膜上的金纳米颗粒，引起这部分金纳米颗粒的表面等离激元共振效应，该效应能够大大增强金纳米颗粒表面附近的局域光场，因而泵浦光施加在金纳米颗粒附近的那些液晶分子上的转动力矩大大增加，只需要较弱的泵浦光就能够使和ITO薄膜接触的液晶分子发生偏转；随后这部分液晶分子带动液晶整体发生转动时，由于液晶整体掺杂了金纳米颗粒，很多液晶分子都能够感受到泵浦光施加的转动力矩的增强，因而对整体液晶分子而言，转动也将变得更加容易，所需要的泵浦光强自然也相应降低，同时，由于金纳米颗粒的存在，无论是ITO表面的液晶分子还是整体液晶分子都更容易转动，因而对泵浦光的响应速度就更快，从而也提高了该液晶光开关的响应速度。
本实施例中可以采用不同大小的金纳米颗粒，分布均为单层密集分布，金纳米颗粒对泵浦光的放大倍数，见表1：
表1
金纳米颗粒大小（纳米） 泵浦光放大倍数
10 11
30 32
50 59
实施例2
本实施例金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，该液晶光开关包括石英基板1，所述石英基板厚度为毫米量级，两块石英基板形成一端开口的腔室2，所述腔室的宽度即腔室中液晶填充的厚度为200微米，石英基板的四周用热封层3完全热封封闭，所述腔室的内壁上均镀有ITO薄膜层4，所述ITO薄膜层上均涂覆有银纳米颗粒层，所述腔室2中灌有液晶分子5和经过表面活性剂修饰的银纳米颗粒，灌入液晶分子和经过表面活性剂修饰的银纳米颗粒后，腔室的开口端7热封封闭。
本实施例中金属纳米颗粒层为银纳米颗粒层，银纳米颗粒层的厚度为50nm；经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒为银纳米颗粒，银纳米颗粒的粒径为50nm。
作为优选，本实施例银纳米颗粒层中银纳米颗粒在腔室内壁单层分布，单层分布的覆盖率为78%。
本实施例金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将石英基板的四周通过热封封闭组成一个一端开口的腔室，在所述腔室的内壁表面均镀有透明的ITO导电膜；
第二步，将一部分银纳米颗粒通过物理吸附作用分散沉积在ITO导电膜表面，银纳米颗粒在ITO导电膜表面单层分布形成紧密排列的单层分布，单层银纳米颗粒密集分布但不相互叠加，银纳米颗粒在ITO导电膜表面的覆盖率为78%；
第三步，将另一部分银纳米颗粒表面经过表面活性剂修饰形成全包裹的修饰层，然后将修饰后的银纳米颗粒加入液晶分子中并灌入腔室中，在腔室中形成以银纳米颗粒为核心液晶分子包裹的球体，所述表面活性剂通过官能团分子一端与银纳米颗粒进行螯合，官能团分子另一端与液晶分子进行螯合，从而在银纳米颗粒表面形成单层的表面活性剂层之后，在表面活性剂层外覆盖一层液晶分子，受液晶分子保护后，银纳米颗粒之间分散状分布；本实施例第三步中官能团的选择依据是银纳米颗粒表面用来修饰的表面活性剂的电性，因为银纳米颗粒表面是柠檬酸三钠覆盖，因此整个颗粒是带有负电荷的，所以需选取带有正电荷的官能团进行螯合，比如带有S和N原子的正电荷的基团；本实施例中具体采用的表面活性剂为4-Sulfanylphenyl-4-[4-(octyloxy)phenyl]benzoate(SOPB)Thiol；
第四步，通过热封封闭腔室的开口端。
本实施例中所述的石英基板是市场上常见的商用产品，所述的热封层是热固化胶，所述的ITO薄膜是铟锡金属氧化物薄膜，所述的金纳米颗粒直径为20纳米，通过柠檬酸三钠还原硝酸银溶液获得，再通过物理吸附作用沉积ITO薄膜表面；所述的液晶为向列相5CB液晶，液晶中掺杂的银纳米颗粒是通过对银纳米颗粒进行表面修饰后溶解到5CB液晶之中，液晶分子通过锚定作用和ITO薄膜相接触，并且通过该锚定作用使得液晶分子整体垂直于ITO薄膜表面排列，原理上要使液晶分子发生整体转动，首先需要克服ITO薄膜对和其接触的液晶分子的锚定力，而泵浦光照射就是在液晶分子上额外提供一个力矩，用于克服锚定力的影响。
本实施例金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的使用方法，其特征在于包括以下步骤，
第一步，采用探测光8作为信号光，探测光波长为1064纳米的连续光，采用泵浦光9作为控制光，泵浦光是波长为400纳米的连续光，所述探测光和泵浦光同时照射在石英基板的外表面，泵浦光的光斑覆盖探测光的光斑；在信号光的入射端设置起偏器10，在信号光的出射端设置检偏器11，所述起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直；当没有泵浦光照射时，信号光通过起偏器变成偏振光，经过液晶开关之后到达检偏器，由于起偏器和检偏器的偏振方向垂直，信号光无法通过检偏器，此时开关为关闭状态；
第二步，当泵浦光施加在液晶分子上的转动力矩克服石英基板对液晶分子的锚定力，液晶分子的排列方向发生改变，从而使信号光的偏振状态由线偏振变成椭圆偏振，此时信号光到达检偏器之后，将有部分强度可以通过，此时开关为开启状态，实现液晶光开关的功能，透过光强的大小取决于泵浦光的强弱，其中泵浦光首先照射到沉积在ITO薄膜上的银纳米颗粒，引起这部分银纳米颗粒的表面等离激元共振效应，该效应能够大大增强银纳米颗粒表面附近的局域光场，因而泵浦光施加在银纳米颗粒附近的那些液晶分子上的转动力矩大大增加，只需要较弱的泵浦光就能够使和ITO薄膜接触的液晶分子发生偏转；随后这部分液晶分子带动液晶整体发生转动时，由于液晶整体掺杂了银纳米颗粒，很多液晶分子都能够感受到泵浦光施加的转动力矩的增强，因而对整体液晶分子而言，转动也将变得更加容易，所需要的泵浦光强自然也相应降低，同时，由于银纳米颗粒的存在，无论是ITO表面的液晶分子还是整体液晶分子都更容易转动，因而对泵浦光的响应速度就更快，从而也提高了该液晶光开关的响应速度。
本实施例中可以采用不同大小的银纳米颗粒，分布均为单层密集分布，银纳米颗粒对泵浦光的放大倍数，见表2。
表2
银纳米颗粒大小（纳米） 泵浦光放大倍数
10 8
30 28
50 55

Claims (10)

1.一种金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，该液晶光开关包括石英基板（1），两块石英基板形成一端开口的腔室（2），石英基板的四周用热封层（3）完全热封封闭，所述腔室的内壁上均镀有ITO薄膜层（4），所述ITO薄膜层上均涂覆有金属纳米颗粒层，所述腔室（2）中灌有液晶分子（5）和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒（6），灌入液晶分子和经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒后，腔室的开口端（7）热封封闭。
2.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，所述金属纳米颗粒层的厚度为10-80nm。
3.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒在腔室内壁单层分布。
4.根据权利要求3所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，所述金属纳米颗粒在腔室内壁单层分布的覆盖率为75-78%。
5.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，所述金属纳米颗粒层为金纳米颗粒层，经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒为金纳米颗粒。
6.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，所述金属纳米颗粒层为银纳米颗粒层，经过表面活性剂修饰的金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
7.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关，其特征在于，所述腔室的宽度为5微米到300微米，所述石英基板厚度为毫米量级。
8.一种权利要求7所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，将石英基板的四周通过热封封闭组成一个一端开口的腔室，在所述腔室的内壁表面均镀有透明的ITO导电膜；
第二步，将一部分金属纳米颗粒通过物理吸附作用分散沉积在ITO导电膜表面，金属纳米颗粒在ITO导电膜表面单层分布形成紧密排列的单层分布，单层金属纳米颗粒密集分布但不相互叠加，金属纳米颗粒在ITO导电膜表面的覆盖率不低于30%；
第三步，将另一部分金属纳米颗粒表面经过表面活性剂修饰形成全包裹的修饰层，然后将修饰后的金属纳米颗粒加入液晶分子中并灌入腔室中，在腔室中形成以金属纳米颗粒为核心液晶分子包裹的球体，受液晶分子保护后，金属纳米颗粒之间分散状分布；
第四步，通过热封封闭腔室的开口端。
9.根据权利要求8所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂通过官能团分子一端与金属纳米颗粒进行螯合，官能团分子另一端与液晶分子进行螯合，从而在金属纳米颗粒表面形成单层的表面活性剂层之后，在表面活性剂层外覆盖一层液晶分子。
10.一种权利要求7所述的金属纳米颗粒掺杂的液晶光开关的使用方法，其特征在于包括以下步骤，
第一步，采用探测光（8）作为信号光，采用泵浦光（9）作为控制光，所述探测光和泵浦光同时照射在石英基板的外表面，泵浦光的光斑覆盖探测光的光斑；在信号光的入射端设置起偏器（10），在信号光的出射端设置检偏器（11），所述起偏器（10）和检偏器（11）的偏振方向相互垂直；当没有泵浦光照射时，信号光通过起偏器变成偏振光，经过液晶开关之后到达检偏器，由于起偏器和检偏器的偏振方向垂直，信号光无法通过检偏器，此时开关为关闭状态；
第二步，当泵浦光施加在液晶分子上的转动力矩克服石英基板对液晶分子的锚定力，液晶分子的排列方向发生改变，从而使信号光的偏振状态由线偏振变成椭圆偏振，此时信号光到达检偏器之后，将有部分强度可以通过，此时开关为开启状态，实现液晶光开关的功能。
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