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无机纳米材料：液晶取向可靠方法

2022-1-25 09:51| 发布者：Davis| 查看：920| 评论：0|原作者: 中国光学

摘要：本文介绍了一种利用ZnO自组装层的纳米结构来实现对液晶分子取向控制的方法。通过调节煅烧温度，可以改变ZnO自组装层的纳米结构，进而影响液晶分子的预倾角，最终实现预倾角在0°-90°范围的连续调控。这种方法简便有效，可以解决当前液晶取向存在的成本高、工艺复杂或洁净度小等技术缺陷，为在各种不同环境下工作的液晶显示器提供了一种可靠的取向材料。

液晶分子因其独特的性质被广泛应用于光栅、传感器、调制器和液晶显示等领域。液晶器件具有均匀的初始排列和适当的预倾角是获得良好光电性能的关键。因此，在宏观层面上得到稳定且均匀的液晶分子排列，在理论研究和实际应用中都具有重要的意义。

液晶显示行业中首选的取向技术是摩擦取向。该技术操作简便，所需设备简单，工艺成熟，价格低廉。目前，虽然利用磨擦聚酰亚胺 (Pl) 薄膜生产平行和垂直取向的技术在液晶显示器工业中已经成熟，但其不足之处在于，摩擦过程中产生的静电和粉尘会对取向膜造成污染和损害，并对薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）的晶体管造成一定损伤，降低器件的成品率。因此，需要研究开发操作简单、成本低廉的新型定向材料和技术，以适应当前液晶显示技术迅猛发展的需要。

近日，来自北京航空航天大学的赵东宇等人提出了利用 ZnO 自组装层的纳米结构实现对液晶分子的取向控制。他们使用简单的实验方法将 ZnO 自组装到 ITO 基板上，通过调节煅烧温度，改变 ZnO 自组装层的纳米结构，进而影响液晶分子的预倾角，最终实现预倾角在 0°-90° 范围的连续调控。

该研究成果以“ZnO纳米结构对液晶取向控制研究”为题发表于《液晶与显示》（ESCI、Scopus 收录、核心期刊）2022 年第 1 期，并被选为封面文章。

图 1：《液晶与显示》2022 年第 1 期封面

1．ZnO 纳米结构的制备

ZnO 纳米结构在 ITO 基板上的组装，包含以下步骤：在 ITO 基板上旋涂 ZnO 原液、原液煅烧形成晶种层、晶种层生长、控温进行二次煅烧。通过上述流程，ITO基板上即可生成具有不同形貌的 ZnO 纳米结构。图 2 为 ZnO 纳米结构的制备流程。

图 2：ZnO纳米结构制备流程

2 . ZnO 纳米结构的表征及表面润湿性

利用扫描电子显微镜 (SEM) 观察等测试手段对 ZnO 自组装层进行表征。图 3 第一行所示为不同煅烧温度下生成 ZnO 自组装层的 SEM 图像，从图可知，不同煅烧温度下的纳米 ZnO，其表面都是由颗粒组成的；随着煅烧温度的升高，颗粒的粒径不断增大，这是由于高温条件有利于晶体的生长。图 3 第二行照片为水在不同煅烧温度条件下生成的 ZnO 纳米结构上的接触角 (Contact Angle，CA)。结果表明煅烧温度越高，生成的 ZnO 基板越亲水，CA 越小；反之则越疏水，CA 越大。因此，通过改变煅烧温度，就可以改变 ZnO 自组装层粒径的大小，进而改善其表面润湿性和表面能的大小。

图 3：不同煅烧温度下 ZnO 纳米结构 SEM 图及对应水在 ZnO 纳米结构上的接触角

3．ZnO 纳米自组装层对液晶分子取向的调控

根据 Friedel–Creagh–Kmetz（FCK）规则，固体表面能和液晶分子的取向排列存在一定的关系，当固体表面能小于分子间作用力的时候，液晶分子易于垂直取向，反之则倾向于平行于基板排列。实验将液晶 5CB 注入到上述 ZnO 基板组装的液晶池，通过对其施加电场，观察液晶织构的变化，判断液晶分子的预倾角变化。

对液晶池从 0 v 开始施加电压，随着电压逐渐增大，具有一定初始预倾角的液晶分子最终垂直于基板、即平行于电场方向排列，此时计为该样品的转变电压。由图 4 接触角（黑色线）及液晶转变电压（红色线）与煅烧温度的关系可知，ZnO 的煅烧温度越高，其表面 CA 越小，表面能越大，所组装的液晶池的转变电压越大，即初始状态的预倾角越小，液晶趋于平行排列；反之，ZnO 的煅烧温度越低，其表面能越小，获得的预倾角越大，液晶趋于垂直排列。通过此方法，可以实现液晶分子预倾角 0°-90° 的连续调控。