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液晶盒制备和表征实验

  1. 参考操作流程,制作扭曲向列相液晶盒;
  2. 测试自制液晶盒的性能;
  3. 优化制作工艺,提升液晶盒的光电性能(拓展)。

液晶及分类

液晶态指的是介于液态和晶态的一种中间态,一方面它具有液体的流动性,另一方面又部分保留着晶态物质分子的各向异性有序排列的特性。图片展示了人类历史上最早发现液晶分子,它是一种胆甾类化合物,整体细而长,这也是大多数液晶分子的特点,所以通常用类似小棒的图象来表示。液晶的分类和命名比较复杂,但对于本实验只要知道其中的向列液晶即可。向列相液晶分子的特点是:长轴互相平行,但不分层,而且分子质心位置是无规则的(如第三幅图中的N所示)。第三幅图展示了液晶相变的一般过程,随着温度逐渐升高,液晶分子排列变得越来越混乱,从晶态经过近晶态(SmC、SmA)和向列态(N)最后到液态。
 胆固醇苯甲酸酯(一种液晶分子) 向列相 液晶相变的一般过程

向列液晶的性质

1.织构

液晶在偏光显微镜下呈现的各种各样的丝状条纹或图案被称为织构。向列液晶在偏光显微镜下呈现许多丝状结构,其原因在于向列相分子具有长程取向有序,局部地区分子趋于同一方向排列,两个不同排列取向向区的交界处就出现丝状条纹。丝状织构是向列液晶分子微观结构的反映。

2.旋光特性

液晶是双折射的,这意味着线偏光的垂直和平行长轴的分量通过液晶的速度不同,所以原本同相振动的两个分量在通过液晶后会积累相位差,偏振方向所以偏振方向发生改变。下图展示了实验中制作的TN液晶盒的旋光作用:如果在液晶盒的上下加入方向垂直的起偏器和检偏器,由于液晶分子诱导线偏光的方向旋转了90°,所以此时光能够通过检偏器。

其中有一种特别的向列相液晶显示出手性(螺旋性)而被称为手性向列液晶,分子指向从0°变化360°的距离被称为一个螺距,它受到温度等因素的影响。由于手性向列相液晶独特的结构,它其中的本征态应当是是圆偏振光(也就是在展开某一偏振态的时候应当用左右旋偏振光作为基矢),但不管怎样,手性向列液晶同样可以对线偏光旋转,因为线偏振光可以分解成等幅同相的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。如果我们通过手征性向列液晶发送线性偏振光,则与晶体结构的手征性相匹配的圆偏振光的成分将比其他成分传播得更快,从最终的结果来看,这等价于其相对于其他成分的偏振将旋转得更快。当这两个分量通过液晶分子后时,它们的偏振将再次以相同的速率旋转,光将再次线性偏振,但是由于之前其中一个旋转快于另一旋转,它们之间有相位差,因此现在光将沿不同的角度线性偏振。

3.电光特性

TN液晶在自然状态(未施加驱动电压)下上下表面分子互相垂直,中间分子在范德瓦尔斯力的作用下转过90°,此时液晶对线偏光具有旋转作用。但在施加足够的电压后,由于液晶分子被诱导出电偶极矩,除了基片附近的液晶分子被固定,其它的液晶分子趋于平行电场方向排列,于是原来的扭曲结构被破坏,就不能旋转光了。用TN液晶的这一特点可以制作光电开关,控制显示器件的明暗。\\

  • 制备三种液晶盒(未取向、平行摩擦取向、垂直摩擦取向,建议后两种多做一点,尤其是垂直摩擦取向的液晶盒需要改变条件多做几个,找到关断电压合适的后面才比较好做)
  • 观察基片表面处理对液晶分子取向及织构的影响
  • TN液晶器件的电光特性研究

详见说明书

欢迎大家提出有趣的问题!

  1. 除了响应速度、亮/暗对比度、视角,液晶盒还有哪些光电性能?
  2. 若想提高响应速度,实验中,有哪些可以改变的参数?
  3. 如何测量液晶盒的实际厚度?如何使间隔子尽量均匀?还有什么间隔子可用于方便地控制厚度?
感谢谢文轩同学的贡献!也祝贺你们在此选做实验中取得很不错的结果! — 乐永康 2021/01/17 17:21

谢谢乐老师!我们的成果离不开您的指导!也希望学弟学妹能做的更好,探究液晶更多更加有意思的性质。 — xmars 2021/02/01 19:52

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  • 最后更改: 2021/02/01 19:55
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