光纖光譜儀在液晶顯示研究中的應用

【概述】大量研究表明，對具有自組織螺旋結構的 膽甾相液晶（CLCs） 的動態調控可以實現顏色的調節。現有的基于光敏雙穩態手性開關的調控具有螺旋扭轉力（HTP）變化不足的缺陷，這限制了反射光譜的波長調控范圍。同時，由于現有調控需要犧牲一種可見光譜顏色作為背景，因而無法實現真正的全色顯示。
      

近期，復旦大學材料科學系俞燕蕾教授課題組突破上述限制，設計開發了一種基于光致三穩態手性開關的分段調控膽甾相液晶，實現 RGB 色彩與黑色背景的顯示，為 RGBB (RGB and Black) 色彩的顯示提供了一種新的概念及方法，其研究成果以《Piecewise Phototuning of Self-Organized Helical Superstructures》為題發表在 Advanced Materials 雜志上。
      
      【樣品 & 測試】為實現可見到近紅外波段反射光譜的調諧，作者將兩種偶氮苯（Azo 和 F-Azo）連接在聯萘手性中心上，構造出一種新型的光敏三穩態手性開關（圖1c）。三穩態手性開關在 HTP 上變化顯著，使 CLCs 具有兩個相鄰且連續的反射周期，實現寬譜段的分段光譜調控（圖1a）。借此方法，作者不僅實現了可見光譜的 RGB 反射顏色調制，并進一步調優近紅外波段內的反射光譜以實現黑色背景的顯示（圖1b）。
      

光致三穩態手性開關在 3 個光固化狀態（PSSs）顯示了 3 個主構型（圖2a-b）。在 530nm 光照射下（PSS-530），F-Azo 發生 trans-cis 異構化過程，手性開關轉換為構型 Ⅱ，旋轉位移線之間的距離增加，HTP 值為 112μm^-1。在 365nm 光照射下，Azo 和 F-Azo 發生 trans-cis 異構化，手性開關轉換為構型 Ⅲ，旋轉位移線進一步向外移動，HTP 減小至 36μm^-1。在 470nm 光照射下（PSS-470），Azo 和 F-Azo 發生 cis-trans 恢復過程，手性開關轉換為構型 Ⅰ，旋轉位移線之間的距離變得更短，HTP 增加為 160μm^-1。利用三個波長的光連續曝光 50 個周期（圖2c），手性開關在每個 PSS 上始的 HTP 值沒有明顯變化。
      

在強度較低的光刺激下，該手性分子可以在構型 Ⅰ、Ⅱ 和 Ⅲ 之間轉變，引起膽甾相液晶的反射光譜波長可逆變化，圖3a 為在 530nm 光照下的調控結果。將少量的三穩態手性開關被摻雜到商業可用的主向列液晶材料 E7 中，形成右手性的 CLCs 混合物。CLCs 具有兩個相鄰的連續協調周期，分別在可見光譜波段提供 470nm 和 530nm 的光照射，在近紅外波段提供 530nm 和 365nm 的光照射。通過優化調控條件，理論上最寬可實現 500~3760nm 的反射光譜調控，圖3c 為調控的部分反射光譜實際測量結果。對合成 CLCs 的反射光譜波長進行分段控制，可以創造出帶有黑色背景的豐富多彩的圖案（圖3b）。
      

【總結】作者通過將 Azo 和 F-Azo 的精細結構連接到一個手性結構中，設計并開發了一種新型光響應超分子材料-分段調控膽甾相液晶。利用該材料可實現可見光譜及近紅外光譜的分段調控，從而展示了一種開發可光調諧 RGBB 反射顯示的新策略，實現自帶黑色背景的 RGB 色彩的圖像顯示。該材料在防偽、彩色電子書、光擦寫顯示器等領域具有良好的應用前景。
      文中，由復享光學提供的 光纖光譜儀（PG2000-Pro-EX、NIR2500），在可見到近紅外反射光譜表征中起到了重要的作用，為膽甾相液晶的分段光譜調控提供了有利的論證。▌