第七卷 第一期 - 2008年十二月十九日
單束雷射光場引致二維光柵結構於染料摻雜膽固醇液晶薄膜中之研究
葉蕙溱1、陳光豪1、莫定山2李佳榮1,*

1國立成功大學光電科學與工程研究所   
2私立崑山科技大學電子工程學系
crlee@mail.ncku.edu.tw

J. Chem. Phys. 127, 141105 (2007)

標準大小   字體放大
般而言,將向列相液晶(nematics)加入手性分子(chiral)灌入水平配向的空樣品中可產生平面膽固醇液晶。平面膽固醇液晶結構在垂直樣品基板方向上,液晶導軸呈現空間週期性旋轉,旋轉360度的間距稱為此膽固醇液晶之螺距(pitch,P0)。特別的是,當膽固醇液晶螺距遠小於樣品厚度d時(亦即d >> P0),此膽固醇液晶相可視為每層具有半螺距長度之薄層相(lamellar phase)。

在過去的研究中,若在此薄層相外加應力場、電場或磁場,則經常會自然產生薄層波動(layer undulation)的二維光柵(two-dimensional (2D) grating)結構。此結構的形成可描述如下: 在樣品基板的水平配向下,這些膽固醇液晶薄層平行地被限制於兩基板之間。當有外場垂直地加在樣品兩基板之間,液晶分子以及因此膽固醇薄層趨於旋轉。然而,在表面配向錨定力作用下,這些薄層會被抑制旋轉,然後趨向產生一空間週期性薄層波動的二維光柵結構。

雖然過去有許多研究是在外場作用下,於膽固醇液晶中產生這種二維光柵結構,但至今尚未有研究團隊利用外加光場方式產生這種二維光柵。因此,本研究首先使用染料摻雜膽固醇液晶薄膜,在單光束光場作用下,產生二維光柵結構。在單束綠光照射所產生的trans-cis同份異構化(green-beam-induced trans-cis isomerization)與伴隨的熱效應作用下,膽固醇液晶樣品之螺距會增加。一旦關掉綠光,隨著膽固醇液晶回復過程中,亞穩態的二維光柵便自然產生。此薄層波動之二維光柵可歸因於由於膽固醇螺距回覆時在垂直於薄層方向上引發出的回復應力所致。此光柵的生命期與綠光強度有關。紅光引致cis-trans同份異構化(red-beam-induced cis-trans back isomerization)大大地降低此光柵生命期(lifetime)。

在本實驗中,所使用向列相液晶(25°C,no=1.5266, Δn=0.2915)、手性分子與偶氮染料分別為BL009、CB15與D2 (全部向德國默克購買)。空樣品是將兩片ITO玻璃基板兩側中間隔著厚度為d=38μm間隔物組合而成。在兩基板內側已事先鍍有同方向水平配向PVA膜。將已均勻混合之染料摻雜膽固醇液晶(dye-doped CLC)注入空樣品以產生染料摻雜膽固醇液晶薄膜樣品。所使用手性分子於膽固醇液晶混合物中為35.7wt%,所對應產生的螺距為0.38μm,以及d/P0比值為100。其中,所摻雜染料為染料摻雜膽固醇液晶混合物之1wt%。

本實驗的實驗架設很簡單。利用一道源自於氬離子雷射(波長為514.5nm)支線偏振綠光(EG),事先經過擴大(放大十倍)、準直,再經過一個孔洞直徑為0.5cm的光圈後直接垂直照射在染料摻雜膽固醇樣品上。綠光照射強度為IG=70–880mW/cm2,且照射時間固定在tG=120s。另外,使用一道很弱(~1mW/cm2)的線偏振氦氖紅光雷射光(波長為633nm)偵測在DDCLC樣品中綠光照射區所產生的二維光柵結構。當綠光激發120s後關掉,經過幾秒鐘的膽固醇液晶自組織(self-organize)後,二維光柵結構變會自然產生。實驗結果證明,在固定綠光照射時間下,所形成的二維光柵結構之特性,例如光柵生命期與光柵週期(grating spacing)等,會與綠光照射強度有關。在光柵形成過程中,膽固醇液晶螺距變化可藉由偏光顯微鏡(polarizing optical microscope (POM))下觀察。圖1(a)顯示出在沒有檢偏鏡時,在POM下所觀察到當IG=200mW/cm2tG=120s時所獲得的二維光柵圖樣,其所測得光柵週期為~9.5 μm。
圖1. (a) 在沒有檢偏鏡之偏光顯微鏡(POM)下觀察,於染料摻雜膽固醇液晶樣品中所形成的二維光柵結構。綠光照射條件為IG=200mW/cm2tG=120s。所量測到的光柵週期為 ~9.5μm。(b) 在屏幕上偵測到對應的二維繞射圖樣。(c) 二維光柵結構中的薄層波動模型。其中, EGR 分別代表入射綠光的線偏振光場偏振方向與樣品的摩擦配向方向。

圖1(b)顯示出當偵測此二維光柵在屏幕上所看到的繞射圖樣,顯然地,在x或y軸上的二階繞射強度較一階來得強,這表示說由於薄層波動導致的二維光柵結構中是由週期差兩倍的光柵結構所合成的。兩個是靠近樣品基板附近,為表面光柵(surface grating)分量,一個是位於樣品中間,為體積光柵(bulk grating)分量,前者由於受到表面配向限制影響,其週期為後者的兩倍,如圖1(c)所示,這樣的結構與單純只使用電場作用所產生的光柵結構很類似。由以上可知,由此兩表面光柵分量與此一體積光柵分量所產生的繞射會分別貢獻於繞射圖樣中的mth階與(2m)th階,其中,m=0, 1, 2…。此二維光柵中的表面光柵分量,其週期可使用繞射條件來求得

mλ=Λsinθ,                           (1)

其中,m是繞射階數,Λ是光柵週期,θ是產生的繞射角。對於圖1(b)中的一階(m=1)繞射而言,將實驗值λ=633nm與θ=4.2°代入式(1)中,可求得光柵週期Λ~9.6μm,這個值很接近實際上在POM下所觀察到的光柵週期數值。

圖2. 染料摻雜膽固醇液晶樣品在不同綠光強度照射後之反射頻譜曲線。(a) 暗態時,(b)-(d)分別在綠光強度為IG=200、440 與 770mW/cm2激發tG=120s後得到的結果。
為了釐清此二維光柵形成機制,我們量測樣品的反射頻譜,如圖2所示。在綠光照射後,樣品的反射頻譜會紅位移(red-shift),而且,如(b)~(d)三條譜線,對應到當IG=200, 440, and 770 mW/cm2時的情況(固定tG=120s),可知,當綠光強度地增時,反射譜線紅位移會增加,這表示膽固醇液晶螺距增長。當隨綠光強度變強時,綠光引致trans-cis同份異構化和所伴隨產生的熱效應導致所產生的cis異構物濃度與溫度皆會增加,因此造成螺距增長。一旦關掉綠光後,cis異構物會以熱的方式慢慢回到trans態,然後同時溫度也會慢慢回到原來室溫(TR),而螺距也會慢慢縮回到原來長度。眾所週知,一個膽固醇液晶系統所具有的彈力位能是跟螺距長度有關。當螺距增長時,系統的彈力位能會增加。當螺距要縮回原來狀態時,彈力位能會釋放掉,此時,便會在垂直於基板方向上引致岀一個回復應力(restored strain),加上受到基板邊界表面配向的限制下,造成系統彈性不穩定狀態,進一步形成一個亞穩態的二維光柵結構。當cis態染料全部都回復到trans態,且溫度也回到室溫時,螺距不再改變,這時候回復應力便會消失,二維光柵也隨之不見。

為了證明熱效應在此二維光柵形成過程中所造成的影響,我們執行了一個額外的小實驗。首先,利用熱電偶器量測綠光照射樣品120s後在照射區的溫度。當綠光強度分別為200, 440, and 770 mW/cm2時,所量測到在照射區溫度分別為29, 32.5 and 37°C。然後,將樣品放入一溫控器,將溫控器溫度調高至29, 32.5 and 37°C,以模擬剛才用綠光照射後所量到的照射區溫度。圖3(a)-3(c)表示在這些溫度29, 32.5 and 37°C下,所量測到樣品的反射頻譜。實驗結果證明,熱效應造成的溫度增加時,反射頻譜也會紅位移,這證明了熱效應對螺距與因此對二維光柵的產生有重要的影響。

圖4表示,當tG=120s,二維光柵生命期與綠光強度的關係。圖4(a)與4(b)分別是當關掉綠光後,沒有與有以強度為IR=500mW/cm2的強紅光照射樣品時所得到的結果。圖4(a)顯示出當綠光強度增加時,二維光柵生命期會增長。這是由於綠光增加會使得cis異構物濃度與伴隨的熱效應皆增加,因此螺距也會遞增。一旦綠光關掉,增加越多的螺距要回復到原來狀態所花費時間也會用長,當然也拉長了光柵生命期。圖4(b)的趨勢和圖4(a)類似,但在強紅光照射下,整體的光柵生命期會下降。這很合理,因為紅光會造成cis異構物經由異構化反應快速變回trans態,如此便加速了螺距回復過程,因此減短了光柵生命期。
圖4. 在染料摻雜膽固醇液晶樣品中所產生的二維光柵生命期與綠光強度之關係。 (a) 與 (b) 分別是當綠光關掉後,沒有與有照射強度為500mW/cm2之強紅光激發樣品情況下。
圖3. 染料摻雜膽固醇液晶樣品在無綠光照射時,不同溫度下的反射頻譜曲線。(a)-(d)分別在溫度為25、29、32.5與37°C時所獲得。


總結,本研究主要首先證明在膽固醇樣品中,可以用單束雷射光場激發樣品以產生二維光柵結構之現象。在綠光照射下,由於trans-cis同份異構化反應與伴隨的熱效應造成樣品螺距增長。當綠光關掉後,在膽固醇結構恢復過程中產生這樣一個二維光柵。熱的cis-trans同份異構化反應與熱鬆弛導致螺距慢慢回復,這個回復過程會導致一個垂直於基板方向的回復應力,加上基板邊界的限制下,產生了這種彈力不穩定狀態所引致的二維光柵。若同時照射一道強紅光,則快速的cis-trans同份異構化反應會大大縮短光柵生命期。
< 上一篇下一篇 >
Copyright National Cheng Kung University