CN106444331B - 基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法 - Google Patents

基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其包括以下步骤：步骤一，制备银纳米颗粒掺杂液晶材料；步骤二，制备银纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒；步骤三，将步骤二所制备的银纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒放置于室温条件下，在纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒的两端施加电压，用一激光干涉来记录，用另一激光衍射来读出全息图。本发明的操作流程简单，光路容易实现，为后续实现动态图像刷新奠定了基础，由于在液晶材料里掺杂银纳米颗粒，使得最终所得的银纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒具有响应时间达到20ms的特性并出现衍射图像突然增强的效应，全息显示材料的衍射效率高。

Description

基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法
技术领域
本发明属于电光材料制备领域，具体地，涉及一种基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法。
背景技术
液晶相是处于固相和各向同性相之间的相，因此液晶相又称为中介相(Mesophase)，而液晶是介于各向异性晶体和各向同性液体之间的一种中介物(Mesogen)，它同时具有液体的流动性和固体的物理性质各向异性。
液晶是低维有序的流体，其分子排列不像液体中分子排列那样无序也不像晶体中分子排列那样规整。对于最具应用价值的向列液晶，其分子重心没有任何位置平移的周期，只是具有指向上的排列，即棒状分子基本指向一个共同方向，这种取向排列是它的重要特性之一。向列相充分体现了液晶的双重特性－流动特性和晶体结构特性，所以对向列相液晶的研究尤其是其光学特性的研究比较复杂，在外加扰动场作用下，向列液晶要产生形变。
液晶分子具有宽带双折射效应(从可见光至远红外)，可以覆盖其它材料无法响应的光谱，特别是在通讯波段(1.3-1.5μm)及红外(2-4μm)区间具有广阔的应用背景。此外，还可将信号光栅写入液晶光纤或各类光波导及电光开关元件中，写入的光栅能够在这些元件中保持数小时等独特的优点。
常见的制备过程中，容易出现以下问题，如衍射效率不高、损耗大、加载电压过高以及响应时间难以控制、晶体掺杂的均匀性很难保证。存在这些问题的主要原因包括所用材料的配比、制作液晶盒过程中中间层的厚度、外界环境温度和湿度、曝光量以及曝光时间、光强大小等。在外加电场的作用下，由于液晶分子中光致电荷的产生和迁移而引起材料折射率变化的现象，再加上金属纳米颗粒特有的表面等离子体效应，会使材料展现新特性。
提高光学全息显示材料的衍射效率的主要方法是在向列相液晶里面掺杂浓度适中的金属纳米颗粒。
纳米的金属颗粒由于小尺寸效应而表现出不同于与宏观材料的光学、电学和磁学性质。尤其是像纳米金、纳米银、纳米铜、纳米钯等的纳米颗粒具有独特的表面等离子体共振（LSPR）性质，在入射波长满足一定条件下在金属纳米颗粒周围产生强烈的电磁场，对液晶光轴方向产生明显的作用。因此，在纳米颗粒掺杂液晶材料体系中，金属纳米颗粒材料能够明显提高衍射效率，降低液晶散射损耗，降低驱动电压，并且缩短光栅的开关响应时间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于纳米颗粒掺杂液晶材料的全息三维显示屏的制备方法，其操作流程简单，光路容易实现，为后续实现动态图像刷新奠定了基础，由于在液晶材料里掺杂金属纳米颗粒，使得最终所得的纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒具有响应时间达到20ms的特性并出现衍射图像突然增强的效应，全息显示材料的衍射效率高。
根据本发明的一个方面，提供一种基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法包括以下步骤：
步骤一，制备银纳米颗粒掺杂液晶材料，按重量百分比计算，液晶和银纳米颗粒之间的重量比例为96%-98%：2%-4%，将液晶与银纳米颗粒充分混合，获得纳米颗粒掺杂液晶材料；
步骤二，制备银纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒，将ITO玻璃或带有聚乙烯醇层的ITO玻璃切割成适合的尺寸并清洗干净，将两片玻璃取出，两片玻璃的中间层形成液晶盒，并在中间层垫入厚度为0.1μm-500μm的聚脂薄膜，通过调节聚脂薄膜的厚度来控制玻璃板间厚度在0.1μm-500μm之间，利用毛细现象将配比好的纳米颗粒掺杂液晶灌入液晶盒中，形成纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒；
步骤三，将步骤二所制备的纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒放置于室温条件下，在纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒的两端施加电压，在激光的干涉及衍射光场中，用一激光干涉来记录，用另一激光衍射来读出全息图。
优选地，所述银纳米颗粒分散在正己烷溶剂中呈现胶体悬浮体。
优选地，所述银纳米颗粒的直径为0.1nm-200nm。
优选地，所述银纳米颗粒的形状为棒状或片状或球状或线状。
优选地，所述银纳米颗粒掺杂液晶材料为向列相液晶或近晶相液晶或胆甾相液晶。
优选地，所述ITO玻璃上涂有PVA层或PI层或PVB层。
优选地，所述步骤三在激光的干涉及衍射光场中采用波长为200nm-1550nm的单频和多频激光器。
优选地，所述基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法用于制备全息三维显示屏，全息三维显示屏应用于激光全息记录、全息图打印、微纳光刻、实时动态全息显示、全息照相。
优选地，所述全息三维显示屏应用于全息记录中使用的光源为激光光源或OLED灯光源或LED灯光源，全息图读出采用的光源是激光光源或OLED灯光源或LED灯光源。
优选地，所述步骤二在两片玻璃上选择涂覆有机物（如PVA，PVK等）、无机物和半导体层，并对涂覆层进行单方向摩擦，摩擦面相邻且摩擦方向平行排列粘合。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明操作流程简单，光路容易实现，为后续实现动态图像刷新奠定了基础，由于在液晶材料里掺杂金属纳米颗粒，使得最终所得的纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒具有响应时间达到20ms的特性并出现衍射图像突然增强的效应，全息显示材料的衍射效率高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明银纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒。
图2为本发明的工作原理示意图。
图3为本发明银纳米颗粒在电压驱动作用下的电控效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法包括以下步骤：
步骤一，制备纳米颗粒掺杂液晶材料，按重量百分比计算，液晶4和银纳米颗粒3之间的重量比例为96%-98%：2%-4%，金属纳米颗粒是能够产生等离子体共振效应的一种纳米颗粒，将一定量的溶剂溶解的银纳米颗粒3掺入液晶4，在烤箱中蒸发两小时，待溶剂蒸发完毕，放置于超声波仪器中震荡，静置两小时后，将液晶与银纳米颗粒充分混合，获得纳米颗粒掺杂液晶材料；
步骤二，制备纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒61，实验中所用到的纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒为平行排列，将ITO（氧化铟锡）玻璃1或带有聚乙烯醇层2的ITO玻璃1切割成适合的尺寸并清洗干净，ITO 是一种N型氧化物半导体氧化铟锡，ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，用脱脂棉轻轻将玻璃片擦拭干净，将打磨好的玻璃片放在乙醇溶液中浸泡1-2小时，充分溶解表面的油脂，将玻璃片放在玻璃架上浸泡在清洗溶液中进行超声波震荡，换洁净水重复以上过程，再放入烤箱中烘干，将两片玻璃取出，将其能导电的一面重合，两片玻璃的中间层形成液晶盒，并在中间层垫入厚度为0.1-200μm的聚脂薄膜，通过调节聚脂薄膜的厚度来控制玻璃板间厚度在0.1-200μm之间，用长尾夹分别夹住两片ITO玻璃1，利用毛细现象将配比好的纳米颗粒掺杂液晶灌入液晶盒中，由于液晶分子的各向异性特性，它与玻璃表面的张力作用使得处在液晶与玻璃界面处的第一层液晶分子按特定的方向整齐排列，形成纳米掺杂液晶材料的液晶盒61；
步骤三，将步骤二所制备的纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒放置于室温条件下（温度为20-30℃、湿度为40%），用鳄鱼夹夹在纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒的两端施加电压，玻璃片交错放置，这样方便连接导线的鳄鱼夹固定在玻璃片上，在激光的干涉及衍射光场中，用一激光干涉来记录，用另一激光衍射来读出全息图；在干涉场中进行曝光并用氦氖激光进行衍射读出，干涉记录角度为8-11°，记录光功率为10-100mW，读出光功率为20-100mW，所述的激光的干涉及衍射光场包括He-Ne（氦氖）激光器11、波长为200nm-1550nm的激光器21、分光棱镜41、反射镜51、衰减片31，波长为200nm-1550nm的激光器21发出的激光经过衰减片31衰减，射向分光棱镜41，激光经过分束后再由反射镜51反射，将分开的两束激光汇集到一起照在纳米颗粒掺杂液晶的液晶盒上，He-Ne激光器11发出的光作为读出光，经过衍射出现衍射光斑。
所述银纳米颗粒分散在正己烷或其他溶剂中呈现胶体悬浮体，这样银纳米颗粒分布均匀。
所述银纳米颗粒的直径为0.1-200nm，这样纳米颗粒掺杂液晶的均匀性高，性能好。
所述银纳米颗粒的形状为棒状或片状或球状或线状等多种形状，这样综合物理性能好。
所述液晶材料为向列相液晶或近晶相液晶或胆甾相液晶，例如， 8OCB、6OCB、5CB、E7等型号液晶或者它们的混合物，这样光学性质好。
所述向列相液晶的型号是E7，是包括5CB液晶在内的四种向列液晶的混合物，包括25%的K21液晶、16%的M24液晶、8%的T15液晶，其介电各向异性为Δε=+13.8，平行于指向矢方向的折射率系数和垂直于指向矢方向的折射率系数分别是n1=1.75和n2=1.52，平均折射率n3=1.6，这样有利于提高衍射效率。
所述ITO玻璃上涂有PVA（Polyvinyl Alcohol）层或PI（PolyimideFilm）层或PVB（Polyvinyl butyral）层。
所述步骤三在激光的干涉及衍射光场中采用波长为200nm-1550nm的单频和多频激光器，例如He-Ne激光器、 YAG激光器等多种激光器、分光棱镜、空间光滤波器、二向色片、半波片、四分之一玻片、反射镜、凹面反射镜、透镜、衰减片，这样有可以实现整个全息三维显示过程。
所述基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法用于制备全息三维显示屏，全息三维显示屏应用于激光全息记录、全息图打印、微纳光刻、实时动态全息显示、全息照相，这样应用范围广。
所述全息三维显示屏应用于全息记录中使用的光源为激光光源或OLED灯光源或LED灯光源，全息图读出采用的光源是激光光源或OLED灯光源或LED灯光源，这样容易获得光源。
所述步骤二在两片玻璃上选择涂覆有机物（如PVA，PVK等）、无机物和半导体层，并对涂覆层进行单方向摩擦，摩擦面相邻且摩擦方向平行排列粘合。
在本实施例中，所用的超声波清洗机由深圳洁盟清洗设备有限公司提供；所使用的分光棱镜、反射镜都由大恒光电提供；所使用的向列相液晶由江苏合成新材料有限公司提供；所使用的银纳米颗粒由苏州冷石纳米材料科技有限公司提供。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法包括以下步骤：
步骤一，制备银纳米颗粒掺杂液晶材料，按重量百分比计算，液晶和银纳米颗粒之间的重量比例为96％-98％：2％-4％，将液晶与银纳米颗粒充分混合，获得纳米颗粒掺杂液晶材料；所述银纳米颗粒的直径为0.1nm-200nm；
步骤二，制备银纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒，将ITO玻璃或带有聚乙烯醇层的ITO玻璃切割成适合的尺寸并清洗干净，将两片玻璃取出，两片玻璃的中间层形成液晶盒，并在中间层垫入厚度为0.1μm-500μm的聚脂薄膜，通过调节聚脂薄膜的厚度来控制玻璃板间厚度在0.1μm-500μm之间，利用毛细现象将配比好的纳米颗粒掺杂液晶灌入液晶盒中，形成纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒；
步骤三，将步骤二所制备的纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒放置于室温条件下，在纳米颗粒掺杂液晶材料的液晶盒的两端施加电压，在激光的干涉及衍射光场中，用一激光干涉来记录，用另一激光衍射来读出全息图。
2.根据权利要求1所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述银纳米颗粒分散在正己烷溶剂中呈现胶体悬浮体。
3.根据权利要求1所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述银纳米颗粒的形状为棒状或片状或球状或线状。
4.根据权利要求1所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述银纳米颗粒掺杂液晶材料为向列相液晶或近晶相液晶或胆甾相液晶。
5.根据权利要求1所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述ITO玻璃上涂有PVA层或PI层或PVB层。
6.根据权利要求1所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述步骤三在激光的干涉及衍射光场中采用波长为200nm-1550nm的单频和多频激光器。
7.根据权利要求1所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法用于制备全息三维显示屏，全息三维显示屏应用于激光全息记录、全息图打印、微纳光刻、实时动态全息显示、全息照相。
8.根据权利要求7所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述全息三维显示屏应用于全息记录中使用的光源为激光光源或OLED灯光源或LED灯光源，全息图读出采用的光源是激光光源或OLED灯光源或LED灯光源。
9.根据权利要求7所述的基于银纳米颗粒掺杂材料的全息三维显示屏的制备方法，其特征在于，所述步骤二在两片玻璃上选择涂覆有机物、无机物和半导体层，并对涂覆层进行单方向摩擦，摩擦面相邻且摩擦方向平行排列粘合。
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