本發(fā)明涉及藍(lán)相液晶材料領(lǐng)域。更具體地，涉及一種制備藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列的方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、物質(zhì)通常分為三個(gè)階段：固體、液體和氣體。液晶是固體和液體之間的特殊相態(tài)。該狀態(tài)的物質(zhì)即具有液體的流動(dòng)性和晶體有序性的特征。具有液晶狀態(tài)的分子稱為液晶分子，由液晶分子組成的材料稱為液晶材料。常見(jiàn)的液晶材料可以根據(jù)其在液晶狀態(tài)時(shí)根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為近晶相，向列相和膽甾相。其中，由于分子手性的排列結(jié)構(gòu)可以與紫外-可見(jiàn)-紅外波段的光波相互作用，因此膽甾相吸引了廣泛的關(guān)注。

2、藍(lán)相液晶是一種特殊的膽甾相液晶，其溫度范圍往往位于手性向列相和各向同性液相之間。因?yàn)樗{(lán)相液晶為具有百納米尺度的晶格周期的三維立方結(jié)構(gòu)，其在對(duì)應(yīng)于立方晶格的可見(jiàn)光范圍內(nèi)表現(xiàn)出選擇性布拉格反射。從應(yīng)用的角度來(lái)看，藍(lán)相液晶的高質(zhì)量圖案化對(duì)快速光調(diào)制器或可調(diào)諧光子晶體很有意義。

3、圖案化的方法主要分為無(wú)模板法與需模板法。其中，無(wú)模板法主要包含直寫(xiě)與噴墨打??；需模板法主要包含壓印法，三明治組裝法與掩膜版法。但以上方法均存在不足：分辨率低(圖案尺寸≥25μm)，微尺寸下藍(lán)相液晶的單疇品質(zhì)差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于以上事實(shí)，本發(fā)明的目的在于提供一種制備藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列的方法及其應(yīng)用。通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)了藍(lán)相液晶的高質(zhì)量圖案化，尤其是在微觀狀態(tài)下的高質(zhì)量圖案化。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提供一種制備藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列的方法，該方法包括如下步驟：

4、提供具有所需圖案狀的凹槽的聚二甲基硅氧烷膜；

5、在加熱條件下，將液晶溶液至少施加至所述凹槽中，降溫至形成穩(wěn)定的bpi結(jié)構(gòu)；

6、采用紫外光照聚合，得到所述藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列。

7、可以理解，所述凹槽的形狀即為所需圖案的形狀。凹槽的尺寸也對(duì)應(yīng)為所需圖案的尺寸。此外，降溫至形成穩(wěn)定的bpi結(jié)構(gòu)也即降溫至形成穩(wěn)定的藍(lán)相i。

8、進(jìn)一步地，所述凹槽的長(zhǎng)、寬均在50μm以下；高在20μm以下。

9、通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)藍(lán)相液晶大尺寸和微觀尺寸的圖案化。其中，示例性的微觀尺寸包括但不限于為5-30μm、5-15μm、5-10μm、50μm、30μm、15μm、10μm、5μm等。在一些示例中，所述圖案形狀包括但不限于為矩形和/或圓臺(tái)等。

10、本發(fā)明的技術(shù)方案中，提到的“尺寸”是沿x軸、y軸和/或z軸方向的長(zhǎng)度。例如，當(dāng)圖案形狀為矩形時(shí)，“尺寸”是指其沿x軸、y軸和z軸方向的長(zhǎng)度；當(dāng)圖案形狀為圓臺(tái)時(shí)，“尺寸”是指其圓表面的直徑和高度。

11、進(jìn)一步地，所述加熱的方式為在封閉條件下進(jìn)行。由于pdms材料的傳熱性較差，導(dǎo)致膜上的液晶相變表現(xiàn)為從四周到中心部位逐漸轉(zhuǎn)變；由于微觀液晶圖案尺寸太小，受溫度影響太敏感，因此在封閉條件(例如采用封閉式熱臺(tái))進(jìn)行升溫和降溫，以制備均勻穩(wěn)定的藍(lán)相液晶。

12、進(jìn)一步地，所述加熱的溫度為110℃，時(shí)間為15min。在此條件下進(jìn)一步降溫更易形成穩(wěn)定的bpi結(jié)構(gòu)。

13、進(jìn)一步地，所述降溫的速率為0.01-0.2℃/min。本發(fā)明的制備方法中，如果降溫速率過(guò)高，則得到的圖案不均勻；如果降溫速率過(guò)低，則無(wú)法獲得均一相態(tài)(藍(lán)相)的圖案化陣列。優(yōu)選地，所述降溫的速率為0.01-0.1℃/min或0.1-0.2℃/min。

14、進(jìn)一步地，所述降溫的過(guò)程中，聚二甲基硅氧烷膜中容納有液晶溶液的凹槽所在的表面面向降溫源，此時(shí)能更精準(zhǔn)的控制相變溫度，得到大面積更均勻的藍(lán)相、液晶圖案化陣列。

15、更進(jìn)一步地，在聚二甲基硅氧烷膜中容納有液晶溶液的凹槽的表面覆蓋蓋玻片，再進(jìn)行降溫。進(jìn)一步地，所述紫外光照聚合的條件為：強(qiáng)度為50mw/cm2，波長(zhǎng)為365nm的紫外光輻照5min。

16、進(jìn)一步地，所述具有所需圖案狀的凹槽的聚二甲基硅氧烷膜的制備包括如下步驟：

17、將具有所需圖案的基底進(jìn)行表面疏水處理；

18、將所述圖案復(fù)刻至聚二甲基硅氧烷膜上。

19、進(jìn)一步地，所述基底選自硅片。

20、進(jìn)一步地，所述表面疏水處理的方法包括如下步驟：

21、將所述基底經(jīng)真空等離子清洗后，與氟硅烷液體經(jīng)真空干燥后進(jìn)行熱處理。

22、進(jìn)一步地，所述表面疏水處理的方法包括如下步驟：

23、將基底在真空等離子清洗儀中以200w的強(qiáng)度處理600s，然后放入滴加有氟硅烷液體的真空干燥器中抽真空30min，接著將該真空干燥器放入烘箱中處理，處理時(shí)間為8h，處理溫度為80℃。

24、進(jìn)一步地，將所述圖案復(fù)刻至聚二甲基硅氧烷膜上的方法包括如下步驟：

25、將形成聚二甲基硅氧烷用單體與引發(fā)劑混合得到的溶液滴加到具有所需圖案的基底上，消除氣泡后，烘干，得到具有所需圖案狀的凹槽的聚二甲基硅氧烷膜。

26、進(jìn)一步地，所述單體與引發(fā)劑的質(zhì)量比為10:1。

27、進(jìn)一步地，所述單體包括但不限于選自二甲基硅醇。

28、進(jìn)一步地，所述引發(fā)劑包括但不限于選自硅酸酯縮合劑。

29、進(jìn)一步地，按重量百分含量計(jì)，所述液晶溶液中包含：

30、58wt％的不可光聚合的向列相液晶、29wt％的可光聚合的向列相液晶、3.5wt％的可光聚合的手性劑、4wt％的穩(wěn)定劑、2wt％的光引發(fā)劑和2wt％的光敏劑。

31、由于限域作用，微區(qū)藍(lán)相液晶與宏觀相比更難聚合，本發(fā)明的一些優(yōu)選技術(shù)方案中增加了液晶溶液中光引發(fā)劑與光敏劑的含量，進(jìn)而制備得到高質(zhì)量微觀圖案的藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列。

32、進(jìn)一步地，述液晶溶液中還包含1.5wt％的染料。

33、又一方面，本發(fā)明提供如前所述的方法制備得到的藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列在藍(lán)相液晶的圖案化顯示和微區(qū)激光器的制備中的應(yīng)用。

34、進(jìn)一步地，上述得到的摻雜有染料的藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列根據(jù)染料的不同，可以得到反射不同波長(zhǎng)光的藍(lán)相液晶?？蓪⑵溆糜谙袼仫@示，可制備微型面發(fā)射激光器。

35、本發(fā)明的有益效果如下：

36、本發(fā)明提供的制備方法中，采用pdms復(fù)型制備得到藍(lán)相液晶微觀圖案陣列，圖案可按需設(shè)計(jì)，滿足多樣化的應(yīng)用。本發(fā)明的方案，提高了微觀圖案化陣列的分辨率，尺寸最小可達(dá)2μm或以下，限域結(jié)構(gòu)的影響使藍(lán)相液晶在50μm下可自發(fā)生成均勻的單疇相態(tài)。與傳統(tǒng)液晶盒不同，此藍(lán)相液晶生長(zhǎng)環(huán)境可為開(kāi)放體系，生長(zhǎng)不需要液晶盒，有助于三維藍(lán)相液晶器件的制備。可根據(jù)需要摻雜不同的熒光染料，制備微型面發(fā)射激光器。由于pdms膜具有一定的可拉伸性，因此可應(yīng)用于仿生機(jī)器人等可拉伸設(shè)備中，拓寬了藍(lán)相液晶的仿生應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種制備藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽的長(zhǎng)、寬均在50μm以下；高在20μm以下。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱的方式為在封閉條件下進(jìn)行；和/或

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述降溫的速率為0.01-0.2℃/min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外光照聚合的條件為：強(qiáng)度為50mw/cm2，波長(zhǎng)為365nm的紫外光輻照5min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有所需圖案狀的凹槽的聚二甲基硅氧烷膜的制備包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述基底選自硅片；和/或

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將所述圖案復(fù)刻至聚二甲基硅氧烷膜上的方法包括如下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，按重量百分含量計(jì)，所述液晶溶液中包含：

10.如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的方法制備得到的藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列在藍(lán)相液晶的圖案化顯示和微區(qū)激光器的制備中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種制備藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列的方法及其應(yīng)用。該方法包括如下步驟：提供具有所需圖案狀的凹槽的聚二甲基硅氧烷膜；在加熱條件下，將液晶溶液至少施加至所述凹槽中，降溫至形成穩(wěn)定的BPI結(jié)構(gòu)；采用紫外光照聚合，得到所述藍(lán)相液晶微觀圖案化陣列。通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)了藍(lán)相液晶的高質(zhì)量圖案化，尤其是在微觀狀態(tài)下的高質(zhì)量圖案化。

技術(shù)研發(fā)人員：王京霞,蘇釗清,岳鈺琛,鄭成林,江雷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/19