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系統識別號 U0026-0812200911093200
論文名稱(中文) 表面穩定態鐵電性液晶薄膜光柵的研究與應用
論文名稱(英文) Studies of Grating and Its Application Based on Surface-Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Films
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 物理學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 92
學期 2
出版年 93
研究生(中文) 莫定山
研究生(英文) Ting-Shan Mo
學號 l2887104
學位類別 博士
語文別 中文
論文頁數 102頁
口試委員 口試委員-黃澤祥
口試委員-魏台輝
口試委員-白桂芳
口試委員-田興龍
口試委員-姜一民
指導教授-傅永貴
中文關鍵字 光柵  鐵電性液晶 
英文關鍵字 ferroelectric liquid crystal  grating 
學科別分類
中文摘要   由於液晶顯示器的蓬勃發展,使得液晶的研究獲得廣泛的研究及注意。除了應用在顯示器方面,因為液晶材料的高雙折性及低電壓驅動性,所以也非常適合用在其他的光電元件上,如光調制器、光偏離器及光閥 …… 等,因而使得液晶的應用變得更為寬廣;而液晶兼具有晶體的整齊性及液體的流動性,所以在基礎的科學研究上,亦引起特別的關注。

  鐵電性液晶是近來發現的強誘電性材料之一,而且到目前為止還是唯一的一種液態材料,在科學研究上本就令人感到相當的興趣;而其在外場中有非常快的反應速率 (相對於向列相液晶而言),所以在光電材料的應用上,更是具有無比的潛力。其中,表面穩定態模式是最引起注意且應用也最為廣泛的一種鐵電性液晶薄膜模式,除了上述反應快速的優點之外,其排向結構、缺陷形成及介電性質 …… 等,都有很多科學家投注心力在研究。

  在本論文中,除了針對鐵電性液晶材料做了詳盡的討論之外,並且在其中摻混了少量物質,藉以觀察對鐵電性液晶薄膜的影響,並探討在光電效應上的表現及應用。其中,主要分成了兩個實驗加以研究:

  在實驗I中,鐵電性液晶材料中摻混少量的偶氮染料分子,並成功的製造出表面穩定態鐵電性液晶薄膜。由實驗結果得知:此薄膜的排向結構與光電效應均保有原來的特性。我們再利用相干的兩道氬離子雷射光交會形成明暗的干涉條紋於此薄膜上,亦成功的製造出全像光柵。此光柵的形成,是由於染料分子受光激發後吸附於基板上,進而使液晶分子產生排向的改變。實驗結果顯示:在寫入光關閉後,薄膜的光柵仍存在著,也就是說所產生的光柵是永存性的光柵;此光柵可以用極低的電壓 (~ 0.2 V) 加以調控;並且在高低電壓下,產生不同的反應;而在不同極性的電壓取消後,仍然擁有表面穩定態鐵電性液晶薄膜特有的雙穩特性。

  在實驗II中,摻混少量的聚合物單體於鐵電性液晶中,並製作出表面穩定態鐵電性液晶薄膜。在單體聚合前,薄膜內的液晶分子仍保有相當良好的排向;而在加電壓聚合後,雖然有因聚合物枝條而產生的缺陷,但是薄膜的光電反應仍可接受,只是液晶分子轉向所需的電壓增大。利用上述的觀測結果,再配合光罩的使用,我們可以製作出聚合物枝條的表面穩定態鐵電性液晶薄膜光柵。此光柵是由於聚合物枝條改變液晶受外場的作用力矩,及在聚合物-液晶介面處產生散射所形成,所以是兼具相位及振幅的混合型光柵;此光柵可在適當的電壓調控下達到最佳的光電反應,反應時間約在500 ~ 600微秒之間。
英文摘要   Liquid crystals (LCs) have attracted considerable attention owing to the prosperous development of the liquid crystal displays (LCDs). Furthermore, the large birefringence and low switching voltage make LCs to be very suitable for the applications of electro-optical (E-O) devices, such as spatial light modulators, light deflectors and optical shutters.

  Among liquid crystal materials, ferroelectric liquid crystals (FLCs) are unique, and of interest to scientists due to their ferroelectrics. They possess very fast response due to their characteristic spontaneous polarization (PS) and a low rotational viscosity. The surface-stabilized FLC mode (SSFLC) has been extensive studied based on such a material, and finds applications for fast E-O devices. Their peculiar director structures, defects formation and dielectric properties also have been studied extensive recently.

  This thesis contains mainly two parts. The first part is the studies of a surface stabilized ferroelectric liquid crystal film doped with an azo dye, methyl red (MR). A holographic grating is written in this film, using two coherent Ar+ laser beams. Such a grating is formed by the reorientation of the liquid crystal molecules caused by the interaction with the photo-induced adsorption of the doped azo dyes. Experimental results show that the formed grating is permanent but electrically switchable, with a very low voltage of ~ 0.2 V. The dye-doped SSFLC grating possesses the electrically bistable characteristics of an SSFLC sample.

  The second part is the studies of a SSFLC film doped with a small amount of monomer, BAB-6. The alignment performance and electrooptical effect of the SSFLC film polymerized under different polarity of the DCfield were examined first. A grating was then fabricated with UV curing of a doped SSFLC cell through a photomask. The formed grating was found to be the mixing of a phase and amplitude grating, and could be switched under applying an appropriate voltage. The response time is in the order of 500 ~ 600  s.
論文目次 中文摘要 ………………………………………………Ⅰ
英文摘要 ………………………………………………Ⅲ
誌謝 ……………………………………………………Ⅴ
目錄 ……………………………………………………Ⅵ
表目錄 …………………………………………………Ⅸ
圖目錄 …………………………………………………Ⅹ

第一章 緒論 ……………………………………………1
1-1液晶物理 ……………………………………………1
1-1.1 液晶相的分類 ………………………………………2
1-1.2 液晶的光學異向性 ……………………………………8
1-1.3 液晶的介電異向性……………………………………12
1-2 鐵電性液晶 …………………………………………15
1-2.1 鐵電性液晶的物理性質 ………………………………16
1-2.2 表面穩定態鐵電性液晶薄膜 …………………………20

第二章 理論與機制 ……………………………………25
2-1 光柵 …………………………………………………25
2-1.1 雷射引致光柵 ………………………………………25
2-1.2 光柵的分類 …………………………………………28
2-1.3 光柵的繞射 …………………………………………29
2-2 液晶中摻混染料分子的影響 …………………………36
2-2.1 Jánossy 效應…………………………………………36
2-2.2 光折 (photorefractive) 效應 …………………………40
2-2.3 光熱 (photothermal) 效應 ……………………………43
2-2.4 表面驅動 (surface-driven) 效應 ………………………44
2-3 液晶中摻混聚合物的影響 ……………………………46

第三章 實驗I:摻混偶氮染料的表面穩定態鐵電性液晶薄膜全像光柵的研究 ………………52
3-1 樣本製作 …………………………………………53
3-2 實驗裝置 ……………………………………………55
3-2.1 光柵的製作 …………………………………………55
3-2.2 光柵的偵測 …………………………………………56
3-3 結果與討論 …………………………………………57
3-3.1 摻混染料分子的表面穩定態鐵電性液晶薄膜特性的量測…………………………………57
3-3.2 摻混染料分子的表面穩定態鐵電性液晶薄膜的全像光柵…………………………………64

第四章 實驗II:聚合物枝條表面穩定態鐵電性液晶薄膜光柵的研……………………………74
4-1 樣本製作 ……………………………………………74
4-2 實驗裝置 ……………………………………………76
4-2.1 聚合物枝條表面穩定態鐵電性液晶薄膜製作及量測………………………………………76
4-2.2 光柵的製作及量測 …………………………………80
4-3 結果與討論 …………………………………………81
4-3.1 摻混聚合物單體的表面穩定態鐵電性液晶薄膜特性的量測………………………………81
4-3.2 聚合物枝條表面穩定態鐵電性液晶薄膜光柵 ……………88

第五章 總結與展望………………………………………95

參考文獻 …………………………………………………99

已發表的論文 …………………………………………102
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