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《北京科技大学》 2020年 博士论文
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基于液晶和光子晶体的可调谐光电器件的制备和性能研究

张宇贤  
【摘要】:光子晶体是一种排列有序的微结构,因介电常数在空间的周期性变化可以控制光的传播。液晶的物理性能对外界条件极其敏感且不同相态间的转变也会使其光学性质发生变化。将液晶和光子晶体相结合所制备的可调谐器件,通过利用外场控制液晶的取向或相态,改变复合结构的折射率从而调控光子带隙,这在化学和生物传感、显示及防伪等领域有广阔的应用前景。但截至目前,用于该复合体系的液晶材料多局限于向列相和液晶弹性体,而胆甾相和蓝相与光子晶体的复合结构及其光学性质的研究却鲜有报道。本论文致力于研究基于胆甾相和蓝相液晶的光子晶体可调谐器件的制备及其光学性质。主要研究内容如下:(1)利用负压控制垂直沉积过程,用多分散性硅球制备了蛋白石光子晶体薄膜,并系统研究了负压对硅球的自组装行为和蛋白石表面形貌的影响。研究发现负压不仅可以加快溶剂蒸发,还能平衡溶剂蒸发速率和硅球的沉淀速率,使得多分散的微球也能形成规整密排且光学质量佳的光子晶体结构,这为后续制备三维光子晶体可调谐器件奠定了基础。(2)将作为一维光子晶体的液晶胆甾相与反蛋白石三维光子晶体结构结合,制备了一种新型复合结构器件,并通过改变温度和电场两种方式调谐其光子带隙。研究发现该器件具有热、电双重响应而且表现出良好的可逆性,为研究一维和三维光子晶体之间的可逆转换提供了新思路。(3)将蓝相液晶填充到反蛋白石结构中制备了蓝相液晶—反蛋白石复合结构器件,并利用蓝相在不同温度下的不同折射率实现该器件光子带隙的调谐。反蛋白石结构的引入也对母体蓝相的物理特性有所改善。(4)在较薄的液晶盒中分别测量了液晶蓝相的标准克尔常数和垂直于电场方向的电光系数。研究发现在垂直于电场方向和沿电场方向的电光系数处于同一个数量级,这说明液晶蓝相沿电场法线方向的晶格常数变化和对应的电致伸缩效应以及相转变在其场致各向异性中也起着重要作用。


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