郭 琦，杜蕓夢，趙慧潔，CHIGRINOV V G，郭海成

(1. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2. 香港科技大學(xué) 先進(jìn)顯示與光電子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,香港 999077)

1 引 言

低功耗、高分辨率、高對比度、快響應(yīng)等特性一直是新一代顯示器件所不斷追求的目標(biāo)[1-4]。相較于競爭技術(shù)，如OLED、microLED、DLP等，液晶顯示技術(shù)在響應(yīng)速度方面仍有待大幅提高[5-6]。在顯示領(lǐng)域，快響應(yīng)可有效減弱或消除運(yùn)動(dòng)模糊、提高器件的低溫特性，以及實(shí)現(xiàn)場序彩色方案。場序全彩合成方案，利用人眼的視覺暫留特性，將時(shí)間順序上的RGB子幀合成全彩圖像，可提高空間分辨率3倍以上、提高能量利用率3倍及拓寬色域等，需要液晶的響應(yīng)時(shí)間在亞毫秒量級(jí)[3]。快響應(yīng)液晶在光子學(xué)器件領(lǐng)域同樣有著廣泛需求，尤其對相位調(diào)制深度有較嚴(yán)格要求的器件，無法通過降低液晶層厚來滿足響應(yīng)時(shí)間的需求，如相位延遲器[7]、液晶透鏡[8]、波前矯正器[9]等。因此，近年來有許多致力于提高液晶響應(yīng)時(shí)間的工作見諸發(fā)表，如聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶[10-12]，膽甾相的撓曲電效應(yīng)[4,13-14]等。鐵電液晶由于具有手性特性的液晶分子構(gòu)成的近晶C相，具有優(yōu)異的電光特性，可同時(shí)滿足快響應(yīng)、低功耗、高透過率、高對比度等需求。

鐵電液晶，在20世紀(jì)80年代因Clark和Lagerwall提出的表面穩(wěn)定型(surface stabilized ferroelectric liquid crystal，SSFLC)光電模式而被熟知[15]，之后又因其微秒級(jí)響應(yīng)和雙穩(wěn)態(tài)等優(yōu)異特性而被廣泛研究[16-17]。然而，對取向條件的敏感依賴性導(dǎo)致其大規(guī)模應(yīng)用受限。鐵電液晶的有效取向與向列相液晶不同，除了分子指向矢的取向之外，還需考慮近晶層的排列。近年來，隨著取向技術(shù)的長足進(jìn)步，尤其是光控取向技術(shù)的成熟，一方面非接觸式曝光工藝有效避免了缺陷產(chǎn)生，另一方面利用曝光劑量可實(shí)現(xiàn)錨定能的調(diào)控，使得大面積、高取向質(zhì)量的鐵電液晶獲得越來越多的關(guān)注，許多具有優(yōu)異光電特性的鐵電液晶器件陸續(xù)涌現(xiàn)[18-20]。

本文對近年來鐵電液晶的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要包含3種光電模式，表面穩(wěn)定型、螺旋形變型(deformed helix ferroelectric，DHF)、電致解旋型(electrically suppressed helix，ESH)，對它們的工作原理進(jìn)行分析，并針對它們特有的電光特性給出具體應(yīng)用案例，如雙穩(wěn)/多穩(wěn)響應(yīng)、連續(xù)灰階調(diào)制、高對比度相位/振幅開關(guān)、快響應(yīng)衍射元件等。

2 鐵電液晶光電模式及其工作原理

2.1 表面穩(wěn)定型鐵電液晶光電模式

1980年，Clark和Lagerwall[15]提出了一種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的鐵電液晶結(jié)構(gòu)，稱為表面穩(wěn)定型鐵電液晶(SSFLC)模式，如圖1所示，由于表面錨定的限制，驅(qū)動(dòng)電壓撤掉時(shí)，液晶分子指向矢仍維持原狀；僅當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓極性改變并超過閾值的條件下，表面穩(wěn)定型鐵電液晶在雙穩(wěn)態(tài)之間進(jìn)行切換。表面穩(wěn)定型鐵電液晶結(jié)構(gòu)中，鐵電液晶近晶層垂直于基板排列，表面取向?qū)拥膹?qiáng)錨定使得鐵電螺旋完全展開，可等效為具有單軸晶體特性的相位板，光軸方向由最后加載的驅(qū)動(dòng)電壓極性決定。在雙穩(wěn)態(tài)之間電控切換時(shí)，由發(fā)極化矢量PS和電場矢量E之間的相互作用而產(chǎn)生扭矩，驅(qū)動(dòng)鐵電液晶分子指向矢從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)。表面穩(wěn)定型光電模式存在的一個(gè)必要條件是d?P0, 其中d是液晶盒厚，P0是螺距，以滿足鐵電液晶螺旋被表面錨定完全展開的條件。

在表面穩(wěn)定模式下，響應(yīng)時(shí)間正比于材料粘滯系數(shù)，即τγ，其中γ為鐵電液晶旋轉(zhuǎn)粘滯系數(shù)；反比于電場及材料自發(fā)極化τ1/PSE，PS為自發(fā)極化矢量，E為所施加的電場[15-16]：

(1)

扭曲向列相(Twist Nematic,TN)的響應(yīng)時(shí)間為：

(2)

(3)

其中:K是向列相液晶彈性模量，γ1是粘滯系數(shù)，d是層厚度。由公式(1)～(3)可見：鐵電液晶的響應(yīng)時(shí)間通常在幾十到百微秒量級(jí)，比向列相液晶的上升時(shí)間τr與下降時(shí)間τd快至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

表面穩(wěn)定模式鐵電液晶的雙穩(wěn)態(tài)特性具有許多應(yīng)用，如電子書、智能穿戴設(shè)備等。然而，雙穩(wěn)態(tài)響應(yīng)使其無法利用電壓幅度實(shí)現(xiàn)灰階調(diào)制，只能采用脈寬調(diào)制等手段實(shí)現(xiàn)灰階[15-17]。同時(shí)，表面穩(wěn)定型鐵電液晶對于取向?qū)拥腻^定能要求較高，無缺陷取向是表面穩(wěn)定鐵電液晶器件普遍面臨的難題。

2.2 螺旋形變型光電模式

螺旋形變型(DHF)電光模式的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，近晶層垂直于基板排布，鐵電液晶螺旋結(jié)構(gòu)在外加電場條件下發(fā)生“形變”，即分子指向矢分布隨電場改變，從而導(dǎo)致有效折射率的改變。螺旋形變型電光模式存在的一個(gè)必要條件是，液晶盒厚要遠(yuǎn)大于螺距d?P0[21-24]。

圖2 DHF模式基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Geometry of deformed helix ferroelectric (DHF) LC cell

將螺旋型變型液晶盒置于正交的起偏和檢偏之間，使取向方向，即螺旋結(jié)構(gòu)軸向與起偏方向呈一定角度β，此時(shí)正入射到樣品的光束受鐵電液晶調(diào)制，呈現(xiàn)透過率隨電壓幅度的連續(xù)灰階變化[25-27]：

(4)

此種連續(xù)灰階變化，由兩種因素導(dǎo)致，一是外加電場作用下，鐵電液晶分子指向矢分布改變，導(dǎo)致螺旋結(jié)構(gòu)光軸相對于取向方向發(fā)生偏離；二是有效雙折射率的改變。使用方位角φ(z)來描述鐵電液晶分子指向矢沿近晶層法線方向的分布。螺旋軸偏離角α與有效雙折射率Δneff=neff(z)-n均可由指向矢分布計(jì)算得出：

α=arctan(tanθcosφ(z))，

(5)

(6)

此種連續(xù)灰階調(diào)制發(fā)生在鐵電液晶螺旋展開的過程中。

(7)

其中:EU為電致消旋電場，K22為鐵電液晶彈性系數(shù)，q0=2π/P0為螺旋波矢量，PS為自發(fā)極化矢量。

在小電場E/EU?1近似下，特征響應(yīng)時(shí)間τ與鐵電液晶的自發(fā)極化矢量PS和電場強(qiáng)度E無關(guān)，而是僅由材料的旋轉(zhuǎn)粘滯系數(shù)γ和螺距P0決定：

(8)

上式僅在螺旋形變型鐵電液晶模式中(E?EU)成立，如果外加電場E接近電致消旋電場EU，則鐵電液晶螺距P會(huì)急劇增加，并且響應(yīng)時(shí)間τE(0<δ<1)[21-22]。

2.3 電致解旋型光電模式

2011年提出的電致解旋型(ESH)鐵電液晶光電模式具有高對比度和快響應(yīng)等特性[28-29]，使其在新型顯示器件及光子學(xué)器件領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。鐵電液晶螺旋結(jié)構(gòu)在電場作用下完全解旋之前，可使其為處于螺旋形變型工作模式。當(dāng)電壓高于消旋電壓時(shí)，如圖3右側(cè)所示，鐵電液晶完全消旋，響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)與電壓幅度成反比的規(guī)律，這種規(guī)律與表面穩(wěn)定型類似，區(qū)別在于螺旋解旋機(jī)制不同。

圖3 ESH模式織構(gòu)及響應(yīng)時(shí)間隨電壓變化規(guī)律Fig.3 Dependence of switching on time of ESH cell. Inset: the FLC layer textures between crossed polarizers.

表面穩(wěn)定模式和電致解旋模式在初始條件上存在差異，表面穩(wěn)定型鐵電液晶盒的螺旋結(jié)構(gòu)受表面錨定作用而展開，而電致解旋鐵電液晶在無外加電場時(shí)螺旋結(jié)構(gòu)存在或部分存在，這是電致解旋模式具有高對比度的重要原因。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V高于螺旋解旋的臨界電壓VC時(shí)，鐵電液晶分子指向矢均勻分布。電致解旋型鐵電液晶在驅(qū)動(dòng)電壓僅為±1.5 V時(shí)，對比度高達(dá)12 000∶1[29]。

實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量取向的標(biāo)準(zhǔn)之一是滿足螺旋彈性勢能相當(dāng)?shù)恍∮谌∠驅(qū)拥腻^定能:

(9)

式中：WQ0為錨定能系數(shù)，對應(yīng)圖3中樣品的測量值為WQ0=4×10-4J/m2。

3 鐵電液晶的電光效應(yīng)及應(yīng)用

3.1 雙穩(wěn)及多穩(wěn)態(tài)效應(yīng)

表面穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)特性，即通過施加高于閾值電場的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的相互切換。閾值電場由取向?qū)渝^定能和鐵電液晶材料特性決定，EthWd/K1/2，其中K是平均彈性模量，Wd是錨定系數(shù)[17]。因此，隨著錨定能的增加，所需驅(qū)動(dòng)電場增加，且由于扭矩正比于PSE，因此雙穩(wěn)態(tài)閾值電場與鐵電液晶自發(fā)極化矢量PS的值成反比。

具有雙穩(wěn)態(tài)性的表面穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)可通過時(shí)間上或空間上的平均來實(shí)現(xiàn)灰階[15-17]。當(dāng)鐵電液晶的自發(fā)極化PS足夠高時(shí)，可基于鐵電疇特性實(shí)現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)，為被動(dòng)尋址器件提供灰階響應(yīng)[30]。在螺旋完全展開的書架式結(jié)構(gòu)中(圖1)，任意可變的光學(xué)灰度可由鐵電疇的密度調(diào)控實(shí)現(xiàn)，如圖4所示[31]。當(dāng)消旋的鐵電液晶樣品在電壓脈沖驅(qū)動(dòng)下，且脈沖寬度小于切換時(shí)間時(shí)，鐵電疇的密度可由電壓脈沖寬度控制，產(chǎn)生具有穩(wěn)態(tài)的任意值灰階，如圖4所示。

在兩正交的偏振片下，由鐵電疇導(dǎo)致的準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)態(tài)特性，即在驅(qū)動(dòng)電壓脈沖撤掉或短路時(shí)仍能保持不變。疇界沿近晶層界面切線方向，這也驗(yàn)證了書架結(jié)構(gòu)有且僅有兩種可能的鐵電液晶分子指向矢方向。在光束尺寸遠(yuǎn)大于液晶盒厚時(shí)，空間平均透過率能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)灰階調(diào)制。連續(xù)灰階不僅可通過電壓脈沖寬度實(shí)現(xiàn)，也可通過電壓脈沖的幅值實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 鐵電液晶多穩(wěn)態(tài)效應(yīng)[31]Fig.4 Multi-stable state of FLC with continuous variation grayscale between crossed polarizers[31]

鐵電液晶的多穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，通常需要滿足兩個(gè)條件：首先，鐵電液晶材料的自發(fā)極化值足夠高，例如PS>50 nC/cm2；同時(shí)，兩個(gè)取向狀態(tài)之間的切換閾值能量較小，這通常出現(xiàn)在反鐵電材料中[15-17]。

鐵電液晶器件存在著反式雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)[32]，如圖5所示。圖5(a)和(b)展示了傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)和反式雙穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)波形。與傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)不同，反式雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)表現(xiàn)出對驅(qū)動(dòng)脈沖的下降沿進(jìn)行響應(yīng)。取向?qū)拥腻^定能和介電性能對于反式穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的存在至關(guān)重要[32]。反式雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的潛在應(yīng)用包括低能耗器件，例如電子紙等。此外，傳統(tǒng)和反式雙穩(wěn)態(tài)的定量區(qū)分有助于消除顯示器件中的不完整刷新或鬼像現(xiàn)象。

圖5 傳統(tǒng)(a)和反式(b)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，及其頻率依賴特性；(c)具有連續(xù)灰階的鐵電液晶多穩(wěn)態(tài)效應(yīng)[32]。Fig.5 Electro-optical response of (a) traditional bistable and (b) reverse bistable FLC； (c) Frequency characteristics of the hysteresis loop width[32].

實(shí)驗(yàn)證明，退極化場是產(chǎn)生反式雙穩(wěn)態(tài)的原因?？紤]對稱邊界條件下，驅(qū)動(dòng)電壓V0實(shí)際施加在鐵電液晶層的電場幅值EFLC為[32]：

(10)

其中:d是鐵電液晶盒厚度，ε是鐵電液晶介電常數(shù)，PS是自發(fā)極化矢量，d′和ε′分別是取向?qū)拥暮穸群徒殡姵?shù)。

退極化場為：

(11)

如圖5(c)所示，由于自發(fā)極化矢量PS以及介電常數(shù)ε和ε′等具有頻率依賴特性，因此僅在低頻驅(qū)動(dòng)條件下才能觀察到反式雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。

3.2 連續(xù)灰階調(diào)制

在取向方向平行于起偏方向的情況下(β= 0°)，螺旋形變型鐵電液晶與向列相液晶類似，僅對驅(qū)動(dòng)電壓的幅度響應(yīng)，而對驅(qū)動(dòng)電壓的極性不敏感[26]，如圖6所示。當(dāng)同時(shí)滿足α(z)=45°和Δn(z)d=λ/2條件時(shí)，在正交的起偏與檢偏之間，螺旋形變型鐵電液晶可實(shí)現(xiàn)透過率在0與100%的電控調(diào)制，如公式(4)所示。對于鐵電液晶材料而言，要求最佳的近晶層傾角為θ=45°。

圖6 DHF光電響應(yīng)。(a)透射率波形響應(yīng)；(b)透射率隨電壓變化曲線。Fig.6 Electrooptic response of DHF. (a) Waveforms of transmittance and driving signal； (b) Transmittance versus voltage curve.

螺旋形變型鐵電液晶在較寬的頻率范圍內(nèi)，呈現(xiàn)高亮暗態(tài)對比度的V形光電響應(yīng)[33-34]，如圖6所示。此種光電響應(yīng)與向列相液晶類似，但比向列相液晶的響應(yīng)速度快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，如開啟時(shí)間τon≈80 μs和關(guān)閉時(shí)間τoff≈60 μs。螺旋形變型鐵電液晶的連續(xù)灰階調(diào)制使其在平板顯示領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如場序彩色顯示器件中的RGB三原色獨(dú)立灰階調(diào)控，圖7給出一種基于螺旋形變型鐵電液晶的場序彩色器件驅(qū)動(dòng)方式。

圖7 基于DHF的場序彩色顯示驅(qū)動(dòng)方案Fig.7 Driving scheme of DHF for FSC color display

基于螺旋形變型鐵電液晶的場序彩色顯示，通過把時(shí)序的紅、綠、藍(lán)三色圖像信息合成實(shí)現(xiàn)全彩圖像[35]，不需要彩色濾光片，因此具有高透過率和空間分辨率。場序彩色顯示在幀頻為240 Hz的情況下，每種顏色的灰階響應(yīng)需在1 ms以內(nèi)。在這種情況下，使用電壓信號(hào)的幅度調(diào)制，可以針對每種顏色獨(dú)立地連續(xù)調(diào)節(jié)透過率，如圖7所示。

3.3 高對比度相位/振幅開關(guān)

電致解旋型鐵電液晶模式的高對比度二值響應(yīng)特性，使其在幅度、相位和偏振的快速調(diào)制方面具有優(yōu)勢。例如，放置在偏振片和四分之一波片之間的電致解旋型鐵電液晶盒可實(shí)現(xiàn)正交圓偏振態(tài)之間的快速切換，如圖8所示[36]，將其放置在無源偏振光柵之前，能實(shí)現(xiàn)快速光束轉(zhuǎn)向。在10 V以內(nèi)的電壓下，光束轉(zhuǎn)向的開關(guān)時(shí)間小于100 μs。

圖8 基于ESH的偏振開關(guān)及其在光束偏轉(zhuǎn)中的應(yīng)用[36]。(a)光路圖；(b)(c)外加電場下鐵電液晶織構(gòu)；(d)偏振光柵織構(gòu)[36] 。Fig.8 ESH polarization shutter in a beam steering set up[36].(a) ESH polarization shutter in a beam steering set up；(b) and (c) FLC textures (right) recorded by polarized microscope with polarizer and analyzer illustrated (left); (d) Texture of PG[36].

采用脈寬調(diào)制法，可利用電致解旋型鐵電液晶作為振幅開關(guān)，產(chǎn)生灰階[35]。如圖9所示，可以通過改變液晶盒的亮態(tài)時(shí)間生成灰階，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)場序彩色顯示?？娠@示的顏色數(shù)量取決于液晶開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間?？紤]到電致解旋型鐵電液晶盒在5 V電壓驅(qū)動(dòng)下響應(yīng)時(shí)間低于50 μs，可獲得較大的色域以及較寬視角。

圖9 基于ESH的場序彩色顯示驅(qū)動(dòng)方案[35]Fig.9 Driving scheme of ESH for FSC color display[35]

3.4 快響應(yīng)衍射光學(xué)元件

基于液晶的衍射光學(xué)元件近來已有大量文獻(xiàn)記載[37-44]。主要可分為3個(gè)基本類別：(1)基于液晶材料本身周期性結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件，例如膽甾相等[37]；(2)基于非均勻電場的衍射光學(xué)元件，例如圖案化電極液晶光柵[38]；(3)基于初始取向的液晶衍射光學(xué)元件[38]。

利用光控取向?qū)﹁F電液晶螺旋軸進(jìn)行圖案化取向是實(shí)現(xiàn)鐵電液晶顏色光學(xué)元件的有效方法[41-43]。采用單掩模的兩步曝光法，可制備一維、二維鐵電液晶光柵[41]。在此過程中，可以根據(jù)應(yīng)用情況對相鄰兩區(qū)域的取向方向進(jìn)行任意設(shè)計(jì)。圖10展示了制備流程以及周期為50 μm的一維和二維電致解旋型鐵電液晶光柵的正交取向區(qū)域的微觀織構(gòu)。

圖10 (a)ESH光柵衍射分布;(b)制備流程;(c)一維和二維鐵電液晶光柵的微觀織構(gòu)[41]。Fig.10 Intensity profile of the diffraction of ESH cell; (b) Fabrication procedure of ESH gratings;(c) and (d) Textures of 1D and 2D grating[41].

動(dòng)態(tài)響應(yīng)是評(píng)估液晶衍射光學(xué)元件的十分重要的參數(shù)。通過使用均勻涂覆在基底上的ITO電極，光柵各衍射級(jí)的響應(yīng)時(shí)間類似于均勻取向電致解旋型鐵電液晶盒。當(dāng)施加在液晶盒的電場達(dá)到6.6 V/μm時(shí)，切換時(shí)間約為20 μs。并且可通過提高驅(qū)動(dòng)電壓來進(jìn)一步壓縮響應(yīng)時(shí)間[42,45]。ESH模式具有切換速度快，對比度高和效率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于各種衍射元件，例如達(dá)曼光柵、菲涅耳波片等?；阼F電液晶的菲涅爾透鏡如圖11所示，相鄰區(qū)域的取向方向夾角為45°，圖11給出了在偏光顯微鏡下相鄰區(qū)域的織構(gòu)和衍射/非衍射狀態(tài)的圖案[46-47]。利用光取向技術(shù)，電致解旋型鐵電液晶可實(shí)現(xiàn)空間分辨率在亞微米量級(jí)的圖案化取向[48]，結(jié)合其高對比度及快響應(yīng)等特性，為各種衍射元件的設(shè)計(jì)和制造提供了高度的靈活性。

圖11 基于ESH的菲涅爾透鏡。(a)(b)偏光顯微鏡下織構(gòu)；(c)(d)衍射態(tài)和關(guān)態(tài)的衍射圖樣[46]。Fig.11 Fresnel lens based on ESH FLC. (a,b) Illustrate the textures of the ESH Fresnel lens under polarized microscope; (c,d) Photographs of the diffractive and non-diffractive states[46].

4 結(jié) 論

本文對近年來鐵電液晶的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要包含3種光電模式，表面穩(wěn)定型、螺旋形變型、電致解旋型，對它們的工作原理進(jìn)行分析，并針對它們特有的電光特性給出具體應(yīng)用案例，如雙穩(wěn)/多穩(wěn)響應(yīng)、連續(xù)灰階調(diào)制、高對比度相位/振幅開關(guān)、快響應(yīng)衍射元件等。光控取向技術(shù)的發(fā)展為鐵電液晶器件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，基于此近年來具有快響應(yīng)、高對比度、低能耗、寬視角等優(yōu)異特性的鐵電液晶器件被廣泛關(guān)注，同時(shí)展現(xiàn)了在顯示及光子學(xué)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。