阅读说明：本技术 一种用于粒子操控的近晶相液晶多层装置及粒子操控方法 (Smectic phase liquid crystal multilayer device for particle manipulation and particle manipulation method ) 是由 郭清仪 葛士军 吴赛博 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于粒子操控的近晶相液晶多层装置及粒子操控方法,包括从下至上依次设置的基板、取向膜、LCP层、粒子溶液涂层和近晶相液晶层；取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形,以使液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构,液晶焦锥畴周期结构包含多个具有旋转对称性的液晶焦锥畴。本发明工艺简单,易于实现,且成本较低,无需现有技术中对粒子及液晶进行相容基团修饰的步骤,降低了技术难度及时间成本。(The invention discloses a smectic phase liquid crystal multilayer device for particle control and a particle control method, wherein the smectic phase liquid crystal multilayer device comprises a substrate, an orientation film, an LCP (liquid crystal display) layer, a particle solution coating and a smectic phase liquid crystal layer which are arranged in sequence from bottom to top; the orientation film is provided with a control pattern with a set distribution of molecular directors, so that liquid crystal molecules in the liquid crystal layer are self-assembled into a set liquid crystal focal conic domain periodic structure, and the liquid crystal focal conic domain periodic structure comprises a plurality of liquid crystal focal conic domains with rotational symmetry. The method has the advantages of simple process, easy realization and lower cost, does not need the step of modifying compatible groups of particles and liquid crystal in the prior art, and reduces the technical difficulty and time cost.)

一种用于粒子操控的近晶相液晶多层装置及粒子操控方法

技术领域

本发明涉及一种液晶装置及其粒子操控方法，特别是涉及一种近晶相多层液晶装置及其粒子操控方法。

背景技术

液晶是一种有序度介于固态与液态之间的物质相态，其多层级结构在光场调控、微透镜阵列、粒子操控等多领域具有较为广泛的技术应用。近年来，基于近晶相液晶多层级结构的应用层出不穷，尤其在粒子操控领域。目前一系列不同维度的近晶相液晶多层级结构操控手段，如图案化基底表面控制、硅基底的三维几何结构限制、二维表面取向诱导等。然而，目前近晶相液晶多层级结构纳米粒子操控，大多需要对液晶与纳米粒子进行相似相容基团的修饰，因此面临着效率低，操作复杂的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的之一是提供一种用于粒子操控的近晶相液晶多层装置，可以在不进行粒子与液晶修饰的情况下使纳米粒子较好地分散在液晶体系中；本发明的目的之二是提供一种近晶相液晶多层装置的粒子操控方法。

技术方案：本发明的近晶相液晶多层装置，包括从下至上依次设置的基板、取向膜、LCP层、粒子溶液涂层和近晶相液晶层；取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，以使液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构，液晶焦锥畴周期结构包含多个具有旋转对称性的液晶焦锥畴。

其中，LCP全称工业化液晶聚合物，具有突出的耐热性与耐腐蚀性，在本器件结构中起到了稳定并复刻取向膜图案的作用，LCP层为LCP涂覆形成的；粒子溶液涂层为粒子溶于有机溶液后涂覆形成的。

其中，粒子为量子点或荧光微球，粒子的浓度为0.1～5mg/mL。

液晶焦锥畴周期结构为液晶焦锥畴阵列；取向膜具有使分子指向矢分布呈中心对称周期性分布的图形，以使液晶层中的液晶分子自组装形成液晶焦锥畴阵列以及其他结构阵列，由于微图案间距与图案对称性不同，不同的阵列对粒子有着不同的效果。

取向膜的分子指向矢分布以及生长出的液晶焦锥畴周期结构有多种设置方式，可选的，液晶焦锥畴周期结构为环曲面焦锥畴、方形焦锥畴等多种近晶相缺陷结构对粒子进行操控；其中，环曲面焦锥畴、方形焦锥畴对应的取向膜的分子指向矢分布为现有技术。

其中，近晶相液晶层可选用近晶相液晶8CB制成，近晶相液晶层的旋涂速度范围为2000r/s-2400r/s；取向膜的材料为光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种；取向膜所用到的光致顺反异构材料可选用偶氮类光控取向材料SD1。

优选地，所述取向膜具有分子指向矢分布呈格状的控制图形，以使液晶层中的液晶分子自组装成液晶焦锥畴阵列；可选的，格状控制图形包括多行多列单元格。

优选地，所述控制图形呈方格状或菱格状；其中，控制图形呈方格状时，结合采用连续曝光，可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的环曲面焦锥畴缺陷结构；控制图形呈菱格状时，结合二值曝光，可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的方形焦锥畴缺陷结构。

优选地，所述取向膜具有指向矢连续变化的方格状图形，所述方格状图形包括多个正方形单元格，单元格的边长为12～20μm。

优选地，所述取向膜为光控取向膜。

优选地，所述粒子溶液涂层中的粒子为量子点或荧光微球。即所述近晶相液晶装置可以选择量子点、荧光SiO₂小球等多种材料作为操控的对象。

进一步地，所述粒子溶液涂层中的粒子为CsPbBr₃钙钛矿量子棒；可选的，钙钛矿粒子可为尺寸约为11nm×11nm×(50～100)nm的CsPbBr₃钙钛矿量子棒，即长宽高尺寸分别为11nm、11nm、50～100nm。

本发明还提供了一种近晶相液晶装置的粒子操控方法，该操控方法包括：

(1)在基板的一侧设置取向膜，对取向膜进行取向处理，使其呈设定分布的控制图形；

(2)在取向膜上涂覆LCP层，以复刻取向膜上的控制图形；

(3)在LCP层上依次设置粒子溶液涂层和近晶相液晶层；以使液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构，实现对粒子的定点操控。

所述取向膜的取向处理采用光控取向连续曝光或二值曝光；可选的，控制图形呈方格状时，采用连续曝光，可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的环曲面焦锥畴缺陷结构；控制图形呈菱格状时，采用二值曝光，可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的方形焦锥畴缺陷结构。

发明原理：本发明是一种分层涂覆的基于近晶相液晶的粒子操控体系，其取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形；LCP层复刻了取向膜上的图案，替代取向膜对液晶层中液晶分子有锚定作用，使得液晶层中邻近LCP层的液晶分子的分子指向矢排布与LCP层分子指向矢排布相同；在LCP层对液晶层中的液晶分子的锚定作用以及液晶层远离LCP层一侧空气对液晶的锚定作用下，使液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构；粒子溶液涂层在烘干后与液晶层融合并被其定点操控。

其中，液晶焦锥畴周期结构为液晶焦锥畴阵列；取向膜具有使分子指向矢分布呈中心对称周期性分布的图形，以使液晶层中的液晶分子自组装形成液晶焦锥畴阵列以及其他结构阵列，由于微图案间距与图案对称性不同，不同的阵列对粒子有着不同的效果。

同时，本发明将基于DMD微镜系统的光控取向曝光技术与近晶相液晶多层级结构纳米粒子操控相结合，实现了近晶相液晶多层级结构对纳米粒子的操控。

有益效果：本发明中基于近晶相液晶的装置实现了对纳米粒子的操控，通过控制取向膜的分子指向矢分布，使得在LCP层一侧生长出的液晶焦锥畴周期结构；结合不同的曝光工艺，相较于现有技术中的粒子操控手段，该方式工艺简单，易于实现，且成本较低，无需现有技术中对粒子及液晶进行相容基团修饰的步骤，降低了技术难度及时间成本。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种近晶相液晶多层装置示意图；

图2是本发明实施例1中的取向层的曝光图案示意图；

图3是本发明实施例1中的LCP层在显微镜下的织构图以及被其起着锚定作用的液晶层织构图；其中(a)为LCP层的织构图，(b)为液晶层的织构图；

图4是本发明实施例1的一种粒子操控效果的示意图；

图5是本发明实施例2的一种基于近晶相液晶的粒子操控体系的示意图；

图6是本发明实施例2的一种基于近晶相液晶的粒子操控体系的取向层的曝光图案示意图；

图7是本发明实施例2的一种LCP层在显微镜下的织构图以及被其起着锚定作用的液晶层织构图；其中(a)为LCP层的织构图，(b)为液晶层的织构图；

图8是本发明实施例2的一种粒子操控效果的示意图；

图9是本发明实施例3的一种基于近晶相液晶的粒子操控体系的示意图；

图10是本发明实施例3的一种基于近晶相液晶的粒子操控体系的取向层的曝光图案示意图；

图11是本发明实施例3的一种LCP层在显微镜下的织构图以及被其起着锚定作用的液晶层织构图；其中，(a)为LCP层的织构图，(b)为液晶层的织构图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

以下实施例中使用的原料和试剂均为市售。

实施例1：

如图1所示为本实施例的近晶相液晶多层装置示意图，该装置包括：基板50、取向膜40、LCP层30、粒子溶液涂层20以及液晶层10。取向膜40设置于基板50的一侧，液晶层10设置于粒子溶液涂层20远离基板50的一侧，LCP层30置于粒子溶液涂层20和取向膜40之间；取向膜40具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，在本实施例中为边长12μm的指向矢连续变化的方形图案，呈格状分布；方格状图形包括多个正方形单元格，单元格的边长为12μm。聚合后的LCP层30起到了稳定并复刻取向膜取向图案的作用，以使液晶层10中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构，粒子溶液涂层20在烘干后与液晶层10融合并被其定点操控。

其中，取向膜20上的控制图形通过光控取向获得，LCP层30通过405nm的蓝光LED进行聚合，聚合后复刻了取向膜上的图案，替代取向膜40对液晶层10中的液晶分子有锚定作用，使得液晶层10中邻近LCP层30的液晶分子的分子指向矢排布与LCP层30的分子指向矢排布相同。在LCP层30对液晶层10中的液晶分子的锚定作用以及液晶层10远离LCP层30一侧空气对液晶的锚定作用下，液晶层10中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构。

图2是本实施例的取向层的曝光图案示意图，本实施案例中采用的曝光方法为分布层叠曝光，取向膜呈现连续渐变，边长为12μm的方形格子二维图案，此图案可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的环曲面焦锥畴缺陷结构；图3是本实施例提供的一种LCP层在显微镜下的织构图以及被其起着锚定作用的液晶层织构图。参见图3，LCP层的单元平面取向图案，图案包括多行多列单元格。其中，111为取向膜图案为边长为12μm的方形连续渐变图案时LCP层的织构图，112为边长为12μm为取向膜图案时液晶层的织构图。边长为12μm的指向矢连续变化的方形图案由于图案尺寸较小，图案间距也较小。

图4是本实施例提供的一种粒子操控效果的织构图，该图在偏光显微镜与荧光显微镜两组光源的交叠下拍摄。参见图4，201为荧光显微镜下的钙钛矿量子点团簇粒子，202为偏光显微镜下的近晶相液晶环曲面焦锥畴织构，其取向膜的边长为12μm，由201与202可见，粒子被焦锥畴结构捕获于两个焦锥畴的直线缺陷处与四个焦锥畴结构的中心两种位置，取向膜边长为12μm时，由于焦锥畴尺寸较小，间距也较小，粒子相对尺寸较大，因此粒子更多地分布于焦锥畴的直线缺陷中。

本实施例中示出了曝光参数为边长为12μm，初始角为26°，间隔为5°的36步连续曝光的取向膜的实验结果；在其他实施方式中，可根据探测需求及仪器参数设置曝光参数，以确保曝光图案的中心对称性。

本发明实施例提供的近晶相液晶装置及其粒子操控方法，通过控制取向膜的分子指向矢分布，使得在LCP层一侧生长出的液晶焦锥畴周期结构，边长12μm的指向矢连续变化的方形图案由于图案尺寸较小，图案间距也较小。此外，相较于现有技术中的粒子操控手段，该方式工艺简单，易于实现，且成本较低，避免了现有技术中需要对粒子及液晶进行相容基团修饰的步骤，降低了技术难度及时间成本。

本实施例体系中用到的粒子是具有良好光学性能的钙钛矿量子点，以近晶相液晶8CB对钙钛矿量子棒CsPbBr₃进行定点操控为例，其操控方法具体如下：为了提高片子的表面活性，首先用ITO洗涤剂将片子超声16min，再用超纯水将片子超声8min两次后用氮***吹干，再置于120℃烘箱中烘干40min。选取光致异构取向剂SD1作为取向层，将洗涤、烘干后的ITO玻璃片旋涂一层SD1，旋涂参数可为800r/min、5s，3000r/min、40s，然后为了尽可能避免有机溶剂对器件体系的影响，将旋涂好的玻璃片迅速放置于100℃的热台上蒸发10min除溶剂退火，退火后的玻璃片表面形成了一层较为稳定的取向膜，为了避免自然光中的短波长组分造成取向膜材料的光致异构，被整个制备取向膜的步骤需要在黄光灯环境下进行；然后将用绘图软件绘制好的矢量图输入DMD配套驱动软件中，通过DMD光控取向曝光系统将转换为光信号对涂覆好取向层的玻璃片进行曝光；为了获取不同的近晶相液晶缺陷结构，选取了连续曝光和二值曝光两种方式曝光了取向膜上的取向图案。本实施例中采用连续曝光的方式。

由于光配向材料SD1溶于有机溶剂，为了避免取向层被粒子溶液中的有机溶剂破坏，在取向好的片子上涂覆一层LCP，并进行烘干、退火、聚合，以隔离并复刻取向膜；

将浓度为1mg/mL的CsPbBr₃溶液旋涂于聚合好的片子上，为了减少有机溶剂的干扰，在80℃热台上加热退火10min；

将近晶相液晶8CB加热到各向同性相，然后用毛细玻璃管蘸取滴在烘干的ITO片上，旋涂后将片子置于控温台上，反复在8CB的与向列相温度与近晶相温度之间升降温度，使液晶分子逐渐汇聚于能量最低点，最终在8CB的近晶相形成所需要的的缺陷结构，并对粒子形成了定点操控的效果。

实施例2：

图5是本实施例提供的近晶相液晶多层装置的示意图，该装置包括：基板51、取向膜41、LCP层31、粒子溶液涂层21以及液晶层11。取向膜41设置于基板51的一侧，液晶层11设置于粒子溶液涂层21远离基板51的一侧，LCP层31置于粒子溶液涂层21和取向膜41之间；取向膜41具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，在本实施例中为边长20μm的指向矢连续变化的方形图案，呈格状分布；即方格状图形包括多个正方形单元格，单元格的边长为20μm。聚合后的LCP层31起到了稳定并复刻取向膜取向图案的作用，以使液晶层11中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构，粒子溶液涂层21在烘干后与液晶层11融合并被其定点操控。

其中，取向膜21上的控制图形通过光控取向方式获得，LCP层31通过405nm的蓝光LED进行聚合，聚合后复刻了取向膜上的图案，替代取向膜41对液晶层11中的液晶分子有锚定作用，使得液晶层11中邻近LCP层31的液晶分子的分子指向矢排布与LCP层31的分子指向矢排布相同。在LCP层31对液晶层11中的液晶分子的锚定作用以及液晶层11远离LCP层31一侧空气对液晶的锚定作用下，液晶层11中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构。

图6是本发明实施例一提供的一种基于近晶相液晶的粒子操控体系的取向层的曝光图案示意图，本实施案例中采用的曝光方法为连续曝光，取向膜呈现连续渐变，边长为20μm的方形格子二维图案，此图案可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的环曲面焦锥畴缺陷结构。

图7是本发明实施例提供的一种LCP层在显微镜下的织构图以及被其起着锚定作用的液晶层织构图。参见图7，LCP层的单元平面取向图案，图案包括多行多列单元格。其中，121为取向膜图案为边长为20μm的方形连续渐变图案时LCP层的织构图，122为边长为20μm为取向膜图案时液晶层的织构图。边长为20μm的指向矢连续变化的方形图案由于图案尺寸较大，图案间距也较大。

图8是本发明实施例提供的一种粒子操控效果的织构图，该图在偏光显微镜与荧光显微镜两组光源的交叠下拍摄。参见图8，211为荧光显微镜下的钙钛矿量子点团簇粒子，212为偏光显微镜下的近晶相液晶环曲面焦锥畴织构，其取向膜的边长为20μm，由211与212可见，粒子被焦锥畴结构捕获于两个焦锥畴的直线缺陷处与四个焦锥畴结构的中心两种位置，取向膜边长为20μm时，由于焦锥畴尺寸较大，间距也较大，粒子相对尺寸较小，因此粒子更多地分布于四个焦锥畴结构的中心。

本实施例中示出了曝光参数为边长为20μm，初始角为26°，间隔为5°的36步连续曝光的取向膜的实验结果；在其他实施方式中，可根据探测需求及仪器参数设置曝光参数，以确保曝光图案的中心对称性。相应地粒子操控方法过程同实施例1。

本实施例提供的近晶相液晶装置及其粒子操控方法，通过控制取向膜的分子指向矢分布，使得在LCP层一侧生长出的液晶焦锥畴周期结构，边长20μm的指向矢连续变化的方形图案由于图案尺寸较大，图案间距也较大。

实施例3：

图9是本实施例的基于近晶相液晶装置的示意图，该装置包括：基板52、取向膜42、LCP层32、粒子溶液涂层22以及液晶层12。取向膜42设置于基板52的一侧，液晶层11设置于粒子溶液涂层22远离基板52的一侧，LCP层32置于粒子溶液涂层22和取向膜42之间；取向膜42具有分子指向矢呈设定分布的控制图形；聚合后的LCP层32起到了稳定并复刻取向膜取向图案的作用，以使液晶层12中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构，粒子溶液涂层22在烘干后与液晶层12融合并被其定点操控。

其中，取向膜22上的控制图形通过光控取向方式获得，LCP层32通过405nm的蓝光LED进行聚合，聚合后复刻了取向膜上的图案，替代取向膜42对液晶层12中的液晶分子有锚定作用，使得液晶层12中邻近LCP层32的液晶分子的分子指向矢排布与LCP层32的分子指向矢排布相同。在LCP层32对液晶层12中的液晶分子的锚定作用以及液晶层12远离LCP层32一侧空气对液晶的锚定作用下，液晶层12中的液晶分子自组装成设定的液晶焦锥畴周期结构。

图10是本发明实施例一提供的一种基于近晶相液晶的粒子操控体系的取向层的曝光图案示意图，本实施案例中采用的曝光方法为二值曝光，取向膜夹角60度菱形格子二维图案，此图案可诱导近晶相液晶生长出相应尺寸的方形焦锥畴缺陷结构；

图11是本发明实施例提供的一种LCP层在显微镜下的织构图以及被其起着锚定作用的液晶层织构图。参见图11，LCP层的单元平面取向图案，图案包括多行多列单元格。其中，121为取向膜图案为菱形格子时LCP层的织构图，122为取向膜图案为菱形格子时液晶层的织构图。菱形格子图案取向膜通过过LCP层的传递可以诱导近晶相液晶生长出方形焦锥畴缺陷。

本实施例中，由方形焦锥畴的偏心率特性可推测出，粒子或能在液晶近晶相与向列相的相变点附近随着液晶的相变发生移动。相应地粒子操控方法过程同实施例1。