于美娜等：缺陷控制对胆甾相液品材料双稳态性能的影响及其应用 5 慢，落后于极角变化的速度，这就导致了拥有过渡 对于弯曲分子CB7CB,其弯曲弹性常数与扭 螺距P'的TP态的产生，二者螺距的大小关系为： 曲弹性常数的比值K33K2≈0.1，通过掺杂，可以 (a) (b) (c) (d) (e) 大幅降低胆甾相液晶的K33K22比值.当掺杂浓度 合适时，可以实现K33K22=1,此时，TP态与P态 合二为一，从而可以避免形核等过程产生的缺陷0 本实验中，随着CB7CB掺杂量的增加，可以观察 : 到平面态中的油丝缺陷逐渐减少，如图5所示，在 质量分数为28.5%时完全消失，此时的平面态为 Nucleation 均一无油丝缺陷的状态，如图5(d所示.此实验结 seed 果与上述机理吻合 图4胆甾相液品解螺旋和螺旋回复过程中的分子排列示意图0 (a)平面态：(b)垂直取向态：(c)锥状螺旋态：(d)过渡平面态：(e)从过 宏观上油丝缺陷处对光具有散射作用，会影 渡平面态到平面态的转变 响胆甾相液品的透过率及选择性反射等性能 Fig.4 Schematic showing the unwinding and restoring of the helical 2.1.3焦锥形貌的调控 structure in cholesteric liquid crystals3 (a)planar state;(b)homeotropic 从图5中可以发现，焦锥态的形貌也受CB7CB state;(c)conic helical state;(d)transient planar state;(e)transition from the transient planar state to the intrinsic planar state 掺杂量的影响，表现为随着摻杂量的增加，焦锥织 构的扇形畴逐渐变小，内部呈现更为破碎的形貌 P'=P(sin20+(K33/K2)cos20) (1) 由于焦锥织构对光具有散射性，细小破碎的畴结 其中，K33是弯曲弹性常数，K22为扭曲弹性常数 构更有利于散射的增强 当0接近0时，过渡螺距P为： 2.2双稳态的光学性能 P'≈(K33/K22)P (2) 如1.3所述，液晶相态的研究通常采用偏光显 此时，TP态的自由能密度∫为： 微镜观察织构变化，而光学性能测试则可以对各 f=-(2/P)+(2/P2 相态的光学性能进行定量表征，如透过率等.双稳 (3) 态是胆甾相液晶独特的性能，且主要利用平面态 通常在胆甾相液晶材料中，K33/K2≥2，因而 和焦锥态的光学透过率差异.在此，我们研究样品 P'≥2P,此时TP态能量高于稳定P态的能量6> 的双稳态光学性能 ￡TP态不稳定，会逐渐弛豫回平面态.此弛豫过程 对不同CB7CB掺杂量的样品进行透过率测 涉及到形核过程，会产生大量的油丝缺陷，随着时 试，样品制备方法参照1.2.2，测试方法参照13.2 间的推移，油丝会慢慢融合、减少，但通常无法完 进行，每次测试前将样品放置至平面态的油丝缺 全消失，而且变化速度较慢，因此，在实验中很容 陷尽量少，测试结果见图6(a).随着CB7CB掺杂量 易观察到油丝织构 的增加，平面态透过率呈现先增加后减小的趋势， (a) (b) (c) (d) 200m 200um 200um 200 图5不同CB7CB单体含量的胆留相液品平面态（上）和焦锥态（下）的偏光显微镜照片.(a)A1(0%):(b)A2(10%):(c)A3(20%):(d)A4(28.5%) Fig.5 Planar (upper)and focal conic (lower)texture of samples with different concentrations of CB7CB:(a)Al (0%);(b)A2 (10%);(c)A3 (20%);(d) A4(28.5%)慢，落后于极角变化的速度，这就导致了拥有过渡 螺距 P′的 TP 态的产生，二者螺距的大小关系为： Nucleation seed (a) (b) (c) (d) (e) 图 4    胆甾相液晶解螺旋和螺旋回复过程中的分子排列示意图[30] . （a）平面态；（b）垂直取向态；（c）锥状螺旋态；（d）过渡平面态；（e）从过 渡平面态到平面态的转变 Fig.4     Schematic  showing  the  unwinding  and  restoring  of  the  helical structure in cholesteric liquid crystals[30] : (a) planar state; (b) homeotropic state; (c) conic helical state; (d) transient planar state; (e) transition from the transient planar state to the intrinsic planar state P ′ = P ( sin2 θ+(K33/K2) cos2 θ ) （1） 其中，K33 是弯曲弹性常数，K22 为扭曲弹性常数. 当 θ 接近 0°时，过渡螺距 P′为： P ′ ≈ (K33/K22)P （2） 此时，TP 态的自由能密度 f´为： f ′ = 1 2 K22 [ − ( 2π/P ′ ) +(2π/P) ]2 （3） 通常在胆甾相液晶材料中，K33/K22 ≥ 2，因而 P′ ≥ 2P，此时 TP 态能量高于稳定 P 态的能量 f，f′ > f, TP 态不稳定，会逐渐弛豫回平面态. 此弛豫过程 涉及到形核过程，会产生大量的油丝缺陷，随着时 间的推移，油丝会慢慢融合、减少，但通常无法完 全消失，而且变化速度较慢，因此，在实验中很容 易观察到油丝织构. 对于弯曲分子 CB7CB，其弯曲弹性常数与扭 曲弹性常数的比值 K33 /K22 ≈ 0.1，通过掺杂，可以 大幅降低胆甾相液晶的 K33 /K22 比值. 当掺杂浓度 合适时，可以实现 K33 /K22 = 1，此时，TP 态与 P 态 合二为一，从而可以避免形核等过程产生的缺陷[30] . 本实验中，随着 CB7CB 掺杂量的增加，可以观察 到平面态中的油丝缺陷逐渐减少，如图 5 所示，在 质量分数为 28.5% 时完全消失，此时的平面态为 均一无油丝缺陷的状态，如图 5(d) 所示. 此实验结 果与上述机理吻合. 宏观上油丝缺陷处对光具有散射作用，会影 响胆甾相液晶的透过率及选择性反射等性能. 2.1.3    焦锥形貌的调控 从图 5 中可以发现，焦锥态的形貌也受 CB7CB 掺杂量的影响，表现为随着掺杂量的增加，焦锥织 构的扇形畴逐渐变小，内部呈现更为破碎的形貌. 由于焦锥织构对光具有散射性，细小破碎的畴结 构更有利于散射的增强. 2.2    双稳态的光学性能 如 1.3 所述，液晶相态的研究通常采用偏光显 微镜观察织构变化，而光学性能测试则可以对各 相态的光学性能进行定量表征，如透过率等. 双稳 态是胆甾相液晶独特的性能，且主要利用平面态 和焦锥态的光学透过率差异. 在此，我们研究样品 的双稳态光学性能. 对不同 CB7CB 掺杂量的样品进行透过率测 试，样品制备方法参照 1.2.2，测试方法参照 1.3.2 进行，每次测试前将样品放置至平面态的油丝缺 陷尽量少，测试结果见图 6(a). 随着 CB7CB 掺杂量 的增加，平面态透过率呈现先增加后减小的趋势， (a) 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm (b) (c) (d) 图 5    不同 CB7CB 单体含量的胆甾相液晶平面态（上）和焦锥态（下）的偏光显微镜照片. （a）A1 （0%）；（b）A2（10%）；（c）A3（20%）；（d）A4（28.5%） Fig.5    Planar (upper) and focal conic (lower) texture of samples with different concentrations of CB7CB: (a) A1 (0%); (b) A2 (10%); (c) A3 (20%); (d) A4 (28.5%) 于美娜等： 缺陷控制对胆甾相液晶材料双稳态性能的影响及其应用 · 5 ·