CN105929578B - 一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有金属纳米颗粒阵列结构的液晶盒的制备方法，可制作基于光电调控的新型液晶显示器和光电传感器，属于光电技术领域。本发明基于纳米结构极化构型、分子构型匹配和金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)原理，利用激光倏逝驻波聚焦沉积技术，制备极化固定的金属纳米颗粒阵列，即液晶盒的单侧基片。利用该单侧基片制作液晶盒，可通过电极间电压调控液晶分子的排布取向，从而调控金属纳米颗粒阵列结构的各向异性LSPR，进而调控液晶盒的光谱响应和光电特性。该纳米阵列结构液晶盒制备方法有助于为新型光电显示技术、纳米表征技术和传感器技术提供新原理和新方法。

Description

一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法。
背景技术
当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属岛传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR)现象。LSPR是金属纳米结构非常独特的光学特性，基于LSPR的纳米结构体系的研究已经形成了国际上迅猛发展的热门研究领域之一，即纳米表面等离子体光子学，它是一门研究纳米材料与物质相互作用的新兴学科。
金、银、铂等金属纳米颗粒在紫外可见光波段展现出很强的光谱吸收，从而可以获得LSPR光谱。该吸收光谱峰值处的吸收波长取决于该材料的微观结构特性，例如组成、形状、结构、尺寸、局域传导率。因此，获得LSPR光谱，并对其进行分析，就可以研究纳米颗粒的微观组成。同时，LSPR吸收谱还对周围介质极其敏感，因此可以作为基于光学信号的化学传感器和生物传感器。基于LSPR现象的传感器可以实现无需标记、无污染、实时、高灵敏度的检测，广泛应用于药物研究、生物检测、细胞标记、定点诊断、分子动力学研究及疾病诊断等方面。
在众多常用的激励-响应材料中，液晶由于其显著的光电效应和在外界激励下的相态之间的转变而受到人们的广泛关注。作为非常出色的光电活性绝缘介质，它在显示器、光学周期性结构和色彩可调聚合物光栅中有着重要的作用。将金属纳米结构浸在液晶中，其LSPR性能可以通过控制液晶光学性质来进行调控，进而可以实现这种金属纳米结构～液晶耦合光学器件在显示领域和可调电光器件方面的应用。
制备金属纳米颗粒阵列的方法有很多，如化学沉积和化学刻蚀制备法。但制约这种方法的因素有：试剂浓度、反应温度和沉积时间等，这些因素导致其可控性差，表面颗粒分布不均匀、结构不可控，最终对沉积膜的表面形貌造成很大的影响。再如平板印刷制备法。该方法能够制备出具有周期性结构的金属纳米阵列，还能控制阵列表面形貌，而且能够控制纳米颗粒的大小、形状及间距等参数。但其工艺复杂、成本高、使用不便。
发明内容
本发明提供了一种具有金属纳米颗粒阵列结构的液晶盒的制备方法，可制作基于光电调控的新型液晶显示器和光电传感器。本发明以研制高效、低廉和高灵敏度的具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒为目的，基于纳米结构极化构型、分子构型匹配和金属纳米颗粒的LSPR原理，利用激光倏逝驻波聚焦沉积技术，制备极化固定的金属纳米颗粒阵列；然后利用沉积了金属纳米颗粒阵列的棱台上表面作为单侧基板制作液晶盒，可通过电极间电压调控液晶分子的排布取向，从而调控金属纳米颗粒LSPR的响应，进而调控液晶盒的光谱响应和光电特性。该纳米阵列结构液晶盒制备方法有助于为新型光电显示技术、纳米表征技术和传感器技术提供新原理和新方法，是制造高品质液晶类光电子器件的一项重大突破。
本发明具体采用的技术方案：
一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1.制备金属纳米颗粒胶体溶液
利用光化学还原法制备直径为20±5nm金属纳米颗粒胶体溶液；
步骤2.在倒置的正四玻璃棱台上表面镀ITO导电薄膜
利用电子束蒸发法在倒置的正四玻璃棱台的上表面镀一层厚度为10～100nm的ITO导电薄膜；
步骤3.激光倏逝驻波聚焦沉积纳米颗粒
步骤3-1.构建线阵列单一方向沉积的金属纳米颗粒激光倏逝驻波场：将满足干涉条件的两束激光分别于倒置的正四玻璃棱台相对的两侧面相向入射，且两束激光的入射角相等，调节两束激光的入射角使得二者于倒置正四玻璃棱台上表面内侧相同位置发生全反射，形成倏逝驻波，此时两束激光全反射形成的光斑完全重合；
构建点阵列沉积的金属纳米颗粒激光倏逝驻波场：构建正交的两激光倏逝驻波，此时四束激光在正四玻璃棱台上表面内侧相同位置发生全反射，光斑重叠处光场矢量叠加；
步骤3-2.在所述倒置正四玻璃棱台上表面的光斑处滴加步骤1中已配制好的金属纳米颗粒胶体溶液，且胶体溶液覆盖整个光斑区域，再用盖玻片盖压在胶体溶液上，保证激光持续辐照直至正四玻璃棱台上表面沉积的银纳米颗粒厚度为10～60nm时停止激光辐照；
步骤3-3.去掉盖玻片，将沉积样品经去离子水清洗后即得到金属纳米颗粒阵列；
步骤4.制备液晶盒
在ITO玻璃基板的导电面上旋涂一层聚合物PI-2555(聚酰亚胺)，通过定向擦拭以产生液晶分子单方向矢量的边界状态；再用掺有相同直径的二氧化硅小球的紫外固化胶将ITO玻璃基板与金属纳米阵列结构表面相粘合以形成液晶盒腔体，其中ITO导电面为内表面，然后将电极引线分别焊接在ITO玻璃基板和棱台的导电面上，最后使用针孔注射器向液晶盒内注射向列相液晶，金属纳米阵列结构液晶盒制作完成。
步骤2所述的倒置正四玻璃棱台上表面所镀的ITO导电薄膜厚度为10～100nm，当入射激光波长为530～533nm时，导电薄膜折射率与正四玻璃棱台折射率相同。
步骤3所述的干涉条件具体指同一方向的两束激光的频率相同、相位差恒定、振动方向一致。正交方向的激光束频率相同、相位差恒定、振动方向正交。
步骤3-2所述的激光辐照持续时间为5～8mins，单路光束功率为10～120mw。
步骤4所述的二氧化硅小球直径为10～50μm，紫外固化胶为NOA-65，向列相液晶为5CB(4-氰基-4'-戊基联苯)。
所述正四玻璃棱台在使用前应依次放入酒精和重铬酸钾溶液中使用超声波清洗仪清洗，使其洁净。
进一步的，所述金属可以为银、金、钯。
进一步的，所述激光为TE偏振激光。
进一步的，步骤1所得的胶体溶液的纳米颗粒为球形或椭球形。
进一步的，所述正四玻璃棱台采用的玻璃材质折射率为1.8～2.1、粗糙度小于0.01μm，通透性高于99.5％。
本发明的有益效果
本发明提供的金属纳米颗粒阵列基于纳米结构极化构型与分子构型匹配原理，利用激光倏逝驻波聚焦沉积技术，制备极化固定的金属纳米颗粒阵列，再以该阵列为液晶盒的一侧基片，然后装配具有金属纳米颗粒阵列结构的液晶盒。按本发明方法制备的金属纳米颗粒阵列液晶盒，阵列结构具有极化排布取向一致、均匀分布、颗粒间隙小，颗粒整体排布成光栅结构成功实现多层周期结构特点，依据金属纳米颗粒阵列结构与液晶之间的近场响应，可实现局域各向异性LSPR，实现液晶盒的可控光谱响应和光电调控功能。该方法纳米阵列结构中纳米颗粒与棱台表面连接牢固，更好的保证了结构的稳定性、可靠性和可重复性。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为制备金属纳米颗粒线阵列光路图和激光倏逝驻波形成及沉积示意图；
图3为金属纳米颗粒线阵列的激光聚焦沉积示意图；
图4为金属纳米颗粒点阵列的激光聚焦沉积示意图；
图5为液晶盒装配图。
具体实施方式
一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤1.金属纳米颗粒胶体溶液制备
利用光化学还原法制备直径为22nm金属纳米颗粒胶体溶液；
步骤2.在倒置的正四玻璃棱台上表面镀ITO导电薄膜
如图2(a)所示，利用电子束蒸发法在倒置的正四玻璃棱台的上表面镀一层致密的厚度为70nm的ITO导电薄膜，其中正四玻璃棱台的材料为高折射率的火石玻璃，上表面边长为30mm，高为20mm，四个侧面与上表面夹角为50°；
步骤3.激光倏逝驻波聚焦沉积纳米颗粒
本发明采用的激光倏逝驻波沉积金属纳米颗粒线阵列系统如图2(a)所示，BS为扩束准直镜组，PBS为功率分光棱镜，M1/M2/M3为反射镜，其中LBE为扩束镜。
步骤3-1构建金属纳米颗粒线阵列单一方向沉积的激光倏逝驻波场。让满足干涉条件的光强为80mW的两束激光分别于上述玻璃正四玻璃棱台相对的两侧面相向入射，调节两束激光的入射角，使得两束激光的入射角均为50°，二者于倒置正四玻璃棱台上表面内侧相同位置发生全反射，在棱台上表面形成倏逝驻波。激光倏逝驻波的形成及金属纳米颗粒沉积过程如图2(b)所示；
步骤3-2在所述倒置正四玻璃棱台上表面的光斑处滴加步骤1中已配制好的金属纳米颗粒胶体溶液，且胶体溶液覆盖整个光斑区域，再用盖玻片盖压在胶体溶液上。保证所述激光持续辐照直至正四玻璃棱台上表面沉积的银纳米颗粒阵列厚度为50nm时停止激光辐照；
步骤3-3去掉盖玻片后，将沉积样品经去离子水清洗后即得金属纳米颗粒阵列。金属纳米颗粒线阵列结构如图3所示。
步骤4.制备金属纳米颗粒阵列液晶盒
在ITO玻璃基板的导电面上旋涂一层聚合物PI-2555(聚酰亚胺)，通过定向擦拭以产生液晶分子单方向矢量的边界状态。再用掺有相同直径为30μm的二氧化硅小球的紫外固化胶NOA-65将ITO玻璃基板与金属纳米阵列结构表面相粘合以形成一个缝隙为30μm的液晶盒腔体，其中ITO导电面为内表面。然后将电极引线分别焊接在ITO玻璃基板和棱台的导电面上。最后使用针孔注射器向液晶盒内注射向列相液晶如5CB，金属纳米阵列结构液晶盒制作完成，结构如图5所示。

Claims (8)

1.一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1.制备金属纳米颗粒胶体溶液
利用光化学还原法制备金属纳米颗粒直径为20±5nm的胶体溶液；
步骤2.在倒置的正四玻璃棱台上表面镀ITO导电薄膜
利用电子束蒸发法在倒置的正四玻璃棱台的上表面镀一层ITO导电薄膜；
步骤3.激光倏逝驻波聚焦沉积纳米颗粒
步骤3-1.构建线阵列单一方向沉积的金属纳米颗粒激光倏逝驻波场：将满足干涉条件的两束激光分别于倒置的正四玻璃棱台相对的两侧面相向入射，且两束激光的入射角相等，调节两束激光的入射角使得二者于倒置正四玻璃棱台上表面内侧相同位置发生全反射，形成倏逝驻波，此时两束激光全反射形成的光斑完全重合；
或者构建点阵列沉积的金属纳米颗粒激光倏逝驻波场：构建正交的两激光倏逝驻波，此时四束激光在正四玻璃棱台上表面内侧相同位置发生全反射，光斑重叠处光场矢量叠加；
步骤3-2.在所述倒置正四玻璃棱台上表面的光斑处滴加步骤1中已配制好的金属纳米颗粒胶体溶液，且胶体溶液覆盖整个光斑区域，再用盖玻片盖压在胶体溶液上，保证激光持续辐照，当正四玻璃棱台上表面沉积的银纳米颗粒厚度为10～60nm之间时，停止激光辐照；
步骤3-3.去掉盖玻片，将沉积样品经去离子水清洗后即得到金属纳米颗粒阵列；
步骤4.制备液晶盒
在ITO玻璃基板的导电面上旋涂一层聚合物PI-2555(聚酰亚胺)，通过定向擦拭以产生液晶分子单方向矢量的边界状态；再用掺有相同直径的二氧化硅小球的紫外固化胶将ITO玻璃基板与金属纳米阵列结构表面相粘合以形成液晶盒腔体，其中ITO导电面为内表面，然后将电极引线分别焊接在ITO玻璃基板和棱台的导电面上，最后使用针孔注射器向液晶盒内注射向列相液晶，金属纳米阵列结构液晶盒制作完成。
2.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：步骤2所述的倒置正四玻璃棱台上表面所镀的ITO导电薄膜厚度为10～100nm，所述正四玻璃棱台采用的玻璃材质折射率为1.8～2.1、表面粗糙度小于0.01μm，通透性高于99.5％，入射激光波长为530～533nm，导电薄膜折射率与正四玻璃棱台折射率相同。
3.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：步骤3-2所述的激光辐照持续时间为5～8mins，单路光束功率为10～120mw。
4.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：步骤4所述的二氧化硅小球直径为10～50μm，紫外固化胶为NOA-65，向列相液晶为5CB(4-氰基-4'-戊基联苯)。
5.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：所述正四玻璃棱台在使用前依次放入酒精和重铬酸钾溶液中使用超声波清洗仪清洗，使其洁净。
6.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：所述金属为银、金或者钯。
7.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：所述激光为TE偏振激光。
8.如权利要求1所述的一种具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的制备方法，其特征在于：步骤1所得的胶体溶液的纳米颗粒为球形或椭球形。
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