液晶与显示 | 氧化镍纳米颗粒对光驱动液晶显示的影响

光驱动液晶显示（optically driving liquid crystal display, ODLCD）通过偏振光控制液晶分子的取向来实现显示功能，因其制备简单、功耗低和可擦写等优点被广泛应用在各种显示和光电器件中。然而，由于ODLCD较大的擦写时间和响应时间，它在实际应用中仍然受到了一定的限制。

为了解决ODLCD的擦写速度慢和响应时间长的问题，研究学者已经提出了一些方法来进行改善。例如，施加电场、优化ODLCD 工艺流程、手性剂掺杂等，但功能性纳米材料的掺杂对ODLCD的影响却较少被报道。

近日，东华大学孙嘉曈副教授团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第1期发表了题为“氧化镍纳米颗粒对光驱动液晶显示的影响”的研究文章。

文章提出了一种利用氧化镍（NiO）纳米粒子掺杂在光取向层azo-dye（SD1）中来改善ODLCD擦写时间和响应时间的方法。该方法实现了ODLCD的擦写时间减少1.5倍，并且电响应时间降低5 ms，这对ODLCD的实际应用具有一定的参考价值。

▍背景

液晶显示（liquid crystal display, LCD）技术发展超过了50年，已被广泛应用在手机、电脑和智能手表等一些显示设备中。现在的LCD通常是采用摩擦取向技术，并在电压驱动下实现显示功能。但摩擦取向过程可能会导致出现静电电荷、杂质以及表面机械损伤等缺点。最近，研究人员提出了一种非摩擦的取向方法并利用偏振光实现显示功能，即光驱动液晶显示（optically driving liquid crystal display, ODLCD）。ODLCD具有分离的显示单元和驱动电子设备，可以大大降低其结构的复杂性，并通过用塑料基板代替玻璃基板来增强其寿命和柔韧性。然而，ODLCD技术因其擦写速度慢和响应时间长在实际应用中仍具有一定的挑战。在此项工作中，作者提出了一种将NiO纳米粒子掺杂在光取向层来提高ODLCD擦写速度和响应时间的新方法，这对ODLCD的应用具有一定的价值。

▍实验方案

如图1所示，作者通过将掺杂NiO纳米粒子的SD1溶液均匀的旋涂在清洗好的玻璃基底上，然后和摩擦过的polyimide（PI）取向层的基底共同组成液晶盒。利用掩膜板和蓝色偏振光实现多畴微区的预取向图案，然后将液晶通过毛细作用灌入整个液晶盒，制备成掺杂有NiO的ODLCD。

图1：掺杂有NiO的ODLCD制备流程图
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):40-48.

▍结果与分析

• 材料的性能

光取向材料SD1的分子结构式如图2（a）所示，SD1分子的长轴方向可通过线性偏振入射光来改变。通过多步照射可实现具有不同排列方向的液晶分子，从而实现微区图案的显示。ODLCD的示意图如图2（b）所示，经过蓝光再次照射可组装成TN模式，然而第一次照射区域仍然是PA模式，这两种不同区域可以通过起偏器和检偏器来区分。如图2（c）所示，通过起偏器和检偏器之间的明暗变化得到了具有“DHU”图案的图像。黑色（2（c）上）和白色（2（c）下）区域为 TN 模式，其他区域为PA模式。图 2（d）为NiO的XRD图像，所有峰都对应到纯NiO晶体（JCPDS文件：65-2901）。同时，通过TEM可以清楚地看到分散在SD1中的NiO纳米颗粒，如图2（e），NiO的颗粒尺寸在30-50 nm范围内。

图2：(a) SD1的化学结构式；(b) ODLCD原理示意图，其中两个区域分别为PA模式和TN模式；(c) 在起偏器和偏振器之间带有“DHU”图案的液晶盒；(d) 制备的NiO纳米粒子的XRD θ-2θ光谱；(e) 分散在SD1中的NiO纳米粒子的TEM图像
图源：液晶与显示, 2023, 38(1): 40-48.

• 掺杂有NiO取向层的粗糙度

作者使用AFM测量了SD1-NiO薄膜的表面粗糙度，如图3所示。对于纯SD1薄膜，可以清楚地看到较小的均方根粗糙度（RMS），约为1.08 nm，如图3（a）所示。相对应的三维图像也被插入在图3中。结果表明，随着NiO浓度从1：0增加到1：0.1，薄膜的RMS从1.08增加到2.7 nm，薄膜表面也出现了一些大的山峰，这主要是由于NiO纳米粒子的团聚引起。

图3：不同浓度SD1：NiO的AFM表面形貌图像，插入图为对应的三维图像。(a) 1：0，(b) 1：0.03，(c) 1：0.06，(d) 1：0.09
图源：液晶与显示, 2023, 38(1): 40-48.

• 擦写速度的测试

实验中作者选取450 nm处的吸光度光谱与平均擦写时间进行研究，擦写时间测试示意图如图4（a）所示。蓝色激光（450 nm）用于在样品上写入、擦除和重写所需图案，绿色激光（532 nm）用于光透过率的检测。平均擦写时间和1/Absorbance吸光度随着NiO浓度变化的曲线如图4（b）所示。擦写时间和1/Absorbance吸光度变化趋势大致相同，这意味着擦写时间将随着SD1从450 nm 波长吸收能量的增加而减少。最小擦写时间（6.8 s）和1/Absorbance吸光度在SD1：NiO浓度为1：0.08同时得到。最大擦写时间（13.1 s）和1/Absorbance吸光度分别在1：0.02和1：0.01浓度得到。与纯SD1样品（擦写时间10.5 s）相比，SD1：NiO浓度为1：0.08的ODLCD擦写时间减少了1.5倍。NiO是一种宽带隙半导体，是一种天然的P型半导体。擦写时间的减少主要是由于SD1：NiO 复合薄膜中NiO纳米粒子捕获和中和移动离子，增强了电子传输，从而加快了SD1分子的再取向。

图4：(a) ODLCD样品的擦写时间测量示意图。(b) 11种不同浓度SD1：NiO的平均擦写时间与450 nm波长吸光度倒数的变化趋势。
图源：液晶与显示, 2023, 38(1): 40-48.

• 电响应时间的测试

掺杂不同浓度NiO：SD1的ODLCD，其电压和响应时间通过ALCTE-EO1S测量，如图5（a）。结果表明，随着电压的增加，样品的响应时间将会减少。在5-10 V驱动电压下，浓度为1：0.02和1：0.03的SD1：NiO达到最佳响应时间。在6 V驱动电压下，响应时间随NiO浓度变化如图5（b）所示。与纯SD1相比，掺杂NiO浓度从1：0增加到1：0.03，响应时间从21.81 ms逐渐减少到16.78 ms，然后随着NiO浓度继续增加，响应时间增加到27.32 ms。有NiO掺杂的ODLCD，其响应时间实现了约5 ms的降低。在ODLCD样品组装过程或由外部电压驱动的过程中，光取向层中的少部分NiO纳米粒子可能会脱落并进入液晶中。少量分散在液晶中的NiO纳米颗粒将中和部分带电的移动电子并减少响应时间。然而，如果脱落团聚后较大的NiO纳米粒子，NiO纳米颗粒将影响周围液晶的再取向，这将增加ODLCD的响应时间。

图5：（a）ODLCD在5-10 V驱动电压下的响应时间。（b）不同浓度SD1：NiO的ODLCD在6 V驱动电压下的响应时间。
图源：液晶与显示, 2023, 38(1): 40-48.

总结

作者通过水热法制备了NiO纳米粒子，并研究了不同掺杂浓度下NiO对ODLCD的擦写时间和电响应时间的影响。结果表明，ODLCD的擦写时间与SD1在450 nm处的吸光度有直接关系。浓度为1：0到1：0.1中的11种不同掺杂比例中，1：0.08的吸光度最大，相对应的擦写时间也减少到6.8 s，改善了大约1.5倍。此外，掺杂的NiO粒子对ODLCD电压驱动下的响应时间也会产生影响，最大降低5 ms。NiO纳米粒子的掺杂明显改善了ODLCD的电光性能，具有一定的实际应用价值。

| 论文信息 |

桑景新, 梁立兵, 张永芳, 刘洋, 孙嘉曈, 赵曙光, Vladimir Chigrinov. 氧化镍纳米颗粒对光驱动液晶显示的影响[J]. 液晶与显示, 2023, 38(1): 40-48.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0320

| 通讯作者简介 |

孙嘉曈，东华大学信息科学与技术学院副教授，2014年于香港科技大学获得博士学位，主要从事液晶显示与纳米材料方面的研究。在 Advanced Optical Materials、Applied Physics Letters、Optics Letters等期刊发表论文50余篇。作为项目负责人先后主持了国家自然科学基金、江苏省双创计划、东华大学励志计划等多个项目。
E-mail：jsun@dhu.edu.cn

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