趙東宇，鄧思妍，康建新，王 茜，許麗紅，郭 林，楊 槐

（1.北京航空航天大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，北京 100191；2.北京大學(xué) 工學(xué)院，北京 100871）

1 引 言

液晶由于其兼有液體和晶體的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域，例如各種光子器件［1］以及高精密度的可調(diào)制器件［2］（可調(diào)焦透鏡、相位調(diào)制器、調(diào)光窗等）中都展示出了重要的應(yīng)用前景。在液晶的各類應(yīng)用中，顯示領(lǐng)域的應(yīng)用一直占有最重要的地位。自從向列相液晶的光電特性應(yīng)用于平板顯示領(lǐng)域以來，人們一直致力于得到更低能量消耗和更快響應(yīng)的顯示性能，為了提升這些性能，采取了減小厚度等物理方法或開發(fā)具有更低粘滯度的液晶材料等化學(xué)方法［3］，但這同時也對制造工藝及成本提出了更嚴(yán)苛的要求。近年來，由于納米技術(shù)的出現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)用摻雜納米粒子方法可以有效改善向列相液晶的電光特性（降低閾值電壓、提高響應(yīng)時間等）［4］。2005年，I.Dierking等人［5］發(fā)現(xiàn)在液晶材料里摻雜碳納米管能夠降低體系黏度和提高介電各向異性，因此能有效降低開啟電壓。Kent州立大學(xué)J.West課題組［6－9］從這一角度出發(fā)，將具有很強介電各向異性的鐵電性納米材料Sn2P2S6摻入液晶，發(fā)現(xiàn)對液晶的電光性能有顯著的改善，這一靈感來源于液晶材料的各向異性是其能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能的主要性質(zhì)之一。2002年，Yukihide Shiraishi課題組［10］向向列相液晶中摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鈀納米粒子后發(fā)現(xiàn)了一種新奇的頻率調(diào)制現(xiàn)象（Frequency Modulation），并根據(jù)這一特性提出了不同于傳統(tǒng)電壓調(diào)制的頻率調(diào)制驅(qū)動。

本課題旨在研究摻雜不同濃度Ag納米線的扭曲向列相液晶（TN）在外電場作用下的電－光特性。將Ag納米線摻雜在液晶中制備了TN顯示模式液晶盒，采用液晶綜合參數(shù)測試儀研究了Ag納米線對TN顯示模式液晶盒的驅(qū)動電壓、響應(yīng)時間以及頻率調(diào)制的影響。實驗結(jié)果表明，在交流電場作用下，液晶的閾值電壓隨著摻雜濃度的增加而減小，這說明摻雜Ag納米線的確能夠改善液晶的電光性能。值得驚喜的是，頻率的改變對扭曲向列相液晶閾值電壓的改變影響顯著，隨著頻率的增加，閾值電壓先減小后增大，且減小迅速但增長緩慢。

本文主要研究摻雜金屬納米顆粒對液晶電光特性的影響，以期能降低液晶的驅(qū)動電壓和響應(yīng)時間。這一研究對于提高液晶作為顯示器核心材料的壽命和性能具有重要的探索意義。

2 實 驗

2.1 實驗材料與儀器

實驗所用Ag納米線為本實驗室合成，直徑約為50nm，掃描電鏡結(jié)果如圖1所示。液晶材料為向列相液晶5CB（TNI＝35℃）（石家莊永生華清公司）。實驗采用LCT－5016C型液晶參數(shù)綜合測試儀測定液晶的電光性能（長春聯(lián)城儀器有限公司）。采用 Hitachi S－4800型高分辨掃描電子顯微鏡（SEM）觀察Ag納米線的形貌，尺寸和均勻性。以聚乙烯醇（PVA）配制取向?qū)尤芤?，其它實驗試劑均為分析純，使用前未?jīng)進一步處理。

圖1 實驗所用銀納米線的SEM圖Fig.1 SEM image of some Ag nanowires used in the experiment

2.2 Ag納米線－液晶復(fù)合體系的制備

將1mg Ag納米顆粒加入到2mL無水乙醇中，得到濃度為0.5mg·mL－1的混合溶液，超聲震蕩0.5h，使其在無水乙醇中分散均勻。分別將10μL、20μL、100μL、200μL、400μL的上述乙醇溶液加入到0.1g液晶中，常溫下放置72h，除去復(fù)合體系中的乙醇，獲得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銀納米顆粒－液晶復(fù)合材料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%、0.01%、0.05%、0.1%、0.2%。

2.3 TN液晶顯示模式液晶盒的制備

首先對基板進行取向處理。將ITO玻璃片上的導(dǎo)電面朝上放在KW－4A型臺式勻膠機的轉(zhuǎn)臺上，用滴管將質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5% 的PVA溶液滴在玻璃片的導(dǎo)電面上，以400r·min－1的速度初轉(zhuǎn)9s，再以3 000r·min－1旋轉(zhuǎn)30s，85℃下烘干30min，使取向?qū)訌氐赘稍锕袒?。用絨布對涂覆有PVA取向?qū)拥囊幻孢M行定向摩擦，即獲得經(jīng)過取向處理的ITO基板。

液晶池由兩片經(jīng)過表面取向處理的ITO玻璃導(dǎo)電面相對上下交叉搭在一起，中間鋪兩片間隔墊（厚度約為15μm）控制液晶層厚度，然后用膠封邊框，留出液晶灌注口。把摻雜有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag納米線的液晶混合溶液涂在液晶盒的灌注口處，由于毛細(xì)作用，液晶將由此處被吸入液晶盒。最后封住灌注口，完成液晶池的制作。

2.4 液晶電－光性能的測試

實驗使用LCT－5016C型液晶綜合參數(shù)測試儀測試TN液晶顯示模式液晶池的電－光性能，包括Ag納米線－向列相液晶復(fù)合體系的閾值電壓，響應(yīng)時間以及頻率調(diào)制特性，本實驗采用的響應(yīng)時間的定義為：

T＝Ton＋Toff，其中：Ton為開啟時間，Toff為斷開時間。

3 結(jié)果與討論

3.1 Ag納米線對TN模式液晶閾值電壓的影響

本實驗摻雜的納米顆粒為Ag納米線，采用向列相液晶材料5CB為母體。在探討Ag納米線的摻雜對液晶電光性能的影響之前，首先制備5CB的TN液晶顯示模式液晶盒，在頻率為100 Hz下測量其電光性能。測得結(jié)果如下：5CB的閾值電壓為1.097V，響應(yīng)時間為16.5ms。而在摻雜了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ag納米線之后，復(fù)合體系電光性能測量結(jié)果如圖2所示。圖3為摻雜Ag納米線的TN液晶顯示模式液晶盒的閾值電壓隨Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線。

從圖2和圖3中可以看出，隨著銀納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，閾值電壓逐漸減小。在銀納米線濃度較低時，閾值電壓下降較快，隨著銀納米線濃度的增大，閾值電壓逐漸趨于平穩(wěn)。從實驗結(jié)果可見，對比不摻雜銀納米線的純TN液晶顯示模式液晶盒，摻雜極少量Ag納米線便能使閾值電壓明顯下降。在銀納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時，閾值電壓下降最多，此時閾值電壓下降約14%，對液晶電－光性能的改善效果明顯。

圖2 摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag納米線的TN顯示模式液晶池電壓－透過率曲線Fig.2 V－T curves for pure and Ag nanowires doped 5CB LC cells dependent on the concentration of Ag nanowires

圖3 摻雜Ag納米線的TN顯示模式液晶池的閾值電壓隨Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.3 Threshold voltage curve for pure and Ag nanowires doped 5CB LC cells

3.2 Ag納米線對TN模式液晶頻率調(diào)制特性的影響

我們用上述材料中Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的樣品進行了液晶頻率調(diào)制特性的研究。圖4為摻雜的Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時不同頻率下TN液晶顯示模式液晶盒的透過率隨電壓的變化曲線。圖5為摻雜Ag納米線的TN液晶顯示模式液晶盒的閾值電壓隨頻率的變化曲線。

從圖4和圖5中可以看出，摻雜了銀納米線之后，頻率的改變對液晶閾值電壓影響顯著，在低頻率下更為明顯。隨著頻率增大，閾值電壓迅速減小，但當(dāng)頻率繼續(xù)增大，減小趨勢變緩直至最后趨于飽和。在實驗變量改變的條件下（10Hz～1 000Hz），閾值電壓改變了0.65V。

圖4 不同頻率下?lián)紸g納米線的TN液晶顯示模式液晶池電壓－透過率曲線Fig.4 V－T curves for Ag nanowires doped 5CB LC cells dependent on the frequency

表1為摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag納米線的TN液晶盒的響應(yīng)時間。在沒有摻雜Ag納米線時，5CB的響應(yīng)時間是16.5ms。從表1可以看出，響應(yīng)時間與5CB相比普遍增大。摻雜濃度為0.01%時，響應(yīng)時間有所減小，其它摻雜濃度TN模式液晶盒的響應(yīng)時間均比5CB大。響應(yīng)時間與摻雜濃度之間沒有明顯的變化規(guī)律。

表1 摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ag納米線的TN液晶顯示模式液晶池的響應(yīng)時間Tab.1 Response time for Ag nanowires doped 5CB LC cells

4 結(jié) 論

通過在向列相液晶中摻雜Ag納米線，研究液晶－Ag納米線復(fù)合體系的電－光性能。實驗結(jié)果表明，Ag納米線的加入能夠有效降低TN液晶模式液晶池的閾值電壓，但液晶響應(yīng)時間有一定增加。液晶5CB的閾值電壓與摻雜Ag納米線的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在明顯的變化規(guī)律，隨著摻雜Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，5CB的閾值電壓逐漸減小，閾值電壓最大降幅可達(dá)14%。響應(yīng)時間與Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間沒有明顯的變化規(guī)律。另外摻雜Ag納米線以后的TN液晶模式液晶池的閾值電壓受頻率影響明顯，隨著頻率的增大閾值電壓降低，直至趨于飽和。

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