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【十万个高科技为什么】液晶,它到底是什么?
2019年09月21日 科研新闻 浏览量 :387 返回

“某些物质在熔融状态或被溶剂溶解之后,尽管失去固态物质的刚性,却获得了液体的易流动性,并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列,形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态,这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体”称为液晶。这是液晶的科学释义,听上去似乎专业难懂,通常我们谈到液晶,首先想到的就是液晶电视,那么液晶到底是什么呢?从字面意义上看,液晶是一种液态晶体。它虽然是液态,但是具有晶体的特性。

对于晶体,我们更加熟悉。生活中吃的盐、手上带的钻石戒指、以及五颜六色的宝石等等。这些晶体最大的特点就是具有固定的空间排列结构,类似于整齐划一的军人方队。

 

5CB液晶分子结构式

液晶形成的动画演示

液晶的起源

而液晶更类似于一群小蝌蚪,或者一群沙丁鱼。它们看似混乱,但是它们却可以朝着一个方向游动起来。所以,液晶必定和一群个体调整方向有关。具体来说,液晶中的每个分子之间像一盘散沙,但是可以通过外部有效控制,使得所有液晶分子有一致的方向,从而让液晶光电子器件具有与众不同的光学特性。要想有这种取向的效果,可以想象,一群皮球就不太容易,拉长型的分子就相对容易。所以在分子微观结构,单个液晶分子一般都是拉长型的。

德国物理学家莱曼和奥地利植物学家莱尼茨尔

液晶首先由奥地利植物学家莱尼茨尔(Friedrich Reinitzer)发现。在1888年他首先发现一种白色粉末,把它加热到某一温度可以变成乳白色浑浊液体,继续加热则变成透明液体。这种物质放在生物学家手里,除了烧来烧去,看各种变化外,分析不出个子丑寅卯。好在大家都有合作意识,莱尼茨尔后来将这种材料寄给德国物理学家莱曼(Otto Lehmann)。莱曼用物理学家的严谨,在偏光显微镜下仔细观察这种物质,发现这种液体可以显示五彩的图案。这种图案是由双折射引起,而双折射一般是晶体才有的性质,因此他把这种既能流动又有晶体性质的液体命名为“液晶”。液晶是介于固态和液态之间的一种中间相,因此也被称为除了固态、液态和气态之外的第四态物质。

综上所述,液晶就是一种兼具液体的流动性和晶体的各向异性的特殊物质。

 

液晶的光学性质

由于液晶材料具有各向异性,也就是在不同方向上,液晶的介电和光学性质也不同。在光学性质方面,当长棒型的液晶分子在一定范围内取向一致时,它就表现为一个具有双折射率的单轴晶体。具体而言,沿着不同的方向,液晶材料有不一样的折射率。

棒状液晶分子折射率椭球

光线通过不均匀介质时,一部分光会偏离原来传播方向,这种行为称为散射。当光通过不均匀介质的厚度逐渐增大时,沿直线传播的光线会越来越少。

光通过不均匀介质时发生散射现象

此时对着光线传播方向来看,很难看到对面的物体,因为光线都朝着其它方向散开了。在平常生活中也经常可以看到这种现象:当用清澈的温水来泡奶粉时,随着增加奶粉量,我们发现清水会变得越来越浑浊,这还是因为奶粉小颗粒会引起光线的散射作用。

光的散射有很多种,根据光频率的变化可具体分为两大类:弹性散射和非弹性散射。所谓弹性散射是指光的波长不会发生改变,像乒乓球一样被弹回来。而非弹性散射即指散射前后光的波长发生了改变。比如一块橡皮泥被弹回来后,其形状也会发生改变。通常我们见到的散装液晶呈乳白色,当液晶分子取向一致时,光线可轻易通过,相当于一杯清水;当长棒型的液晶分子取向不一致时,它就表现为一个散射体,就相当于加入奶粉后的液体,光线将被散射。

弹性散射与非弹性散射

在介电性质方面,液晶分子在沿其长轴和短轴上也分别呈现不同的介电常数。这个性质很重要,有了这样的各向异性,我们就可以利用外加电场,改变液晶分子的排列方向,实现对光的动态调控。

众所周知,光是一种电磁波,其电场的振动方向即为光的偏振方向。所谓偏振,指波的传播方向和震动方向不一致。这就好比一条移动的蛇,蛇的身子弯曲的方向一定与前进方向垂直。这就是偏振。我们可以用偏振片来选择某一特定方向的线偏振光。线偏振光经过另一个偏振片的透光率,取决于两个偏振片的相对方向。如果两个偏振片方向平行,则线偏振光就容易通过,透过率最大,显示为亮态;如果两个偏振片方向不平行,比如让它们垂直放置,线偏振光就会被完全阻挡,透过率为零,显示为暗态。所以,如果我们想调节光线的强弱,其中一个办法就是调节偏振片的相对方向。这种方法虽然理论可行,但是从物理上同时调节成千上万个偏振片,可是难以实践。

科学家开动脑筋,想出了更好的办法。比如,在两个正交的偏振片之间充填一些物质,让光的偏振方向发生改变,即使不调节偏振片的相对方向,也能达到让光的透过率发生显著变化。

什么物质才能胜任这项工作呢?液晶!

旋光示意图

由于液晶的光学各向异性,使得液晶分子还有一种特殊的能力。那就是旋光作用,当把液晶分子像扭曲起来,就可以改变光的偏振方向。在液晶显示中,最为简单常用的为扭曲向列型液晶模式,简称TN型。“扭曲” 二字非常贴切。大家可以想象北方炸麻花的形象。好好的一个面条,通过“扭曲”的方式变成麻花。还有另外一个简单的实验可以理解“扭曲”的含义。拿一个纸条,双手旋转“扭曲”纸条,可以让纸条两端从平行变为相互垂直。

简单地说,向列型液晶就夹在两个偏振片之间(具体工艺要比这个复杂得多),液晶分子的排列就如同上述扭曲的纸条,从垂直方向慢慢变为水平。受到这种排列的液晶的影响,射入的垂直偏振光就会逐渐变为水平偏振的光。从图2可以看出,这个水平偏振光就能够通过出口处水平放置的偏振片,这样就会呈现亮态。

现在,液晶的另外一种能够就派上用场了。我们通过外加电压,可以使液晶分子重新排列取向,全都平行光的传播方向。这样一来,入射的垂向偏振光,其偏振方向不再发生偏转,当然就无法再通过出口处水平放置的偏振光。光被挡住后,就会呈现暗态。于是,我们可利通过简单施加电压,就能控制光线明暗。这可比调节偏振片的方向容易多了。这种功能为液晶的液晶显示等应用埋下了伏笔。

图2:扭曲型液晶电光效应的原理示意图

如果不施加外电场,由于液晶分子的扭曲螺距远比可见光波长大得多,所以当入射线偏振光的偏振方向与表面液晶分子的排列方向一致时,其偏光方向在通过整个液晶层后会随着液晶分子的扭曲变形而被扭曲90°由另一侧射出,呈透光状态。如果在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后,液晶分子长轴将开始沿电场方向排列,这时,90°旋光功能消失,在正交偏振片间失去了旋光作用,从而使器件不能透光。

胆甾相液晶分子结构的排列

除了上述讲的向列相液晶外,还有一种常见的液晶,那就是胆甾相液晶。胆甾相液晶的结构如图3所示。此类液晶分子呈扁平状,排列成层,层内分子相互平行,分子长轴平行于层平面,不同层的分子长轴方向稍有变化,沿层的法线方向排列成螺旋状结构。其中平行的两层之间的距离叫做螺距,长度在几百纳米,与可见光的波长处于同一个数量级。通过调节外界环境参数(比如温度)可让螺距发生变化,进而可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过,因而光子晶体具有波长选择的功能。

胆甾相液晶分子示意图

自然界也有许多天然的光子晶体存在,比如蝴蝶翅膀、花瓣、甲壳虫等等,利用胆甾相液晶的光子晶体特性,我们可以将部分的光反射出去,禁止其进入。在智能窗领域,主要将胆甾相液晶的反射光波段设置在红外区域,这样一来就可以阻止红外线的进入,从而实现降低室温的功能。通过其温度敏感性,可以用来测温。

不同种类液晶的结构

参考文献:

Pochi Yeh and Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays. John Wiley & Sons, Inc. 1999.

罗丹,液晶光子学,电子工业出版社,

 

致谢:感谢南科大海洋科学与工程系教授刘青松教授和招生办公室崔繁老师对文章的润色与修改,南科大电子与电气工程系访问学者李勇对视频拍摄给予支持与帮助以及文章中提及的相关工作原理提供了指导。

作者简介:刘言军,南方科技大学电子与电气工程系副教授。他于2007年获得新加坡南洋理工大学博士学位,2003年获得复旦大学理学硕士学位,2000年获得山东大学工学学士学位。主要研究领域为液晶光电子学、等离激元光子学、超材料和超表面等。目前已经累计发表文章100多篇,参与编写专著3章节,申请专利10余项。关于液晶光子学方面的研究成果被《SPIE Newsroom》、《Science Daily》、《R&D Daily》、《NewScientist》等新闻媒体广泛报道。

作者简介:罗丹,2012年7月在新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院获得博士学位。2013年5月加入南方科技大学电子与电气工程系任助理教授,2018年11月至今任电子与电气工程系副教授(长聘)。长期从事可调谐液晶激光器,蓝相液晶,光取向材料,新型反射式液晶显示器件,可调谐液晶光子/太赫兹器件以及液晶智能窗的相关研究工作。已发表论文70篇,申请专利7项。曾获得2011年德国卡尔斯鲁厄理工大学颁发的“奥托.莱曼奖”(年度全球唯一获奖人);2011年国家优秀自费留学生奖;2012年国际光学工程学会光学光子奖学金;2012年国际电子电气工程学会研究生奖(年度全球十人获奖);2016年南方科技大学优秀导师奖;2017年南方科技大学青年科研奖;2017年南方科技大学优秀教学奖; 2018年获深圳市先进教育工作者称号。

编辑:程雯璟

主图设计:丘妍

部分图片来自网络

动画视频来自Youtube

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