掺杂Cu2O 纳米粒子的近晶相液晶显示器件的电-光特性

刘发顺， 崔晓鹏， 赵东宇*， 许丽红， 刘 斌， 毕伟华

(1. 北京航空航天大学化学与环境学院， 北京 100191； 2. 北京京东方显示技术有限公司产品技术部，北京100176)

掺杂Cu2O 纳米粒子的近晶相液晶显示器件的电-光特性

刘发顺1， 崔晓鹏2， 赵东宇1*， 许丽红1， 刘 斌1， 毕伟华1

(1. 北京航空航天大学化学与环境学院， 北京 100191； 2. 北京京东方显示技术有限公司产品技术部，北京100176)

半导体纳米粒子在外加电场作用下能够产生极化电场，且无极化疲劳现象，可以有效改善液晶电-光性能. 文中选用Cu2O半导体纳米粒子对近晶相液晶4-氰基-4-正苄基联苯(8CB)进行掺杂，研究其对液晶电-光性能的影响. 研究发现，Cu2O纳米粒子表面的正电荷能够增强其与液晶分子间的偶极作用，产生的局域电场加速了液晶分子的转动，降低了阈值电压，极大地改善了近晶相液晶的电-光性能.

液晶显示器件； 驱动电压； 电-光性能； 半导体纳米材料； Cu2O纳米粒子； 近晶相液晶

液晶分子在外场(磁场、电场、光、热等)作用下会重新排列[1]，且其各种性质也随之发生变化，被广泛应用于不同领域，如电学[2]、光学[3]、生物学[4-5]等. 按照物质中的分子聚集排列方式分类，液晶可分为向列型、近晶型和胆甾型3种[6]. 其中，近晶相液晶是液晶体系中排列最为有序的，其分子在空间方向上呈层状排列. 目前，人们已经发现了近16种近晶相液晶，并将其应用于光伏产业. 研究人员利用其有序性增大有机材料分子的相互作用力和载流子迁移率，提高导电性[7-8]. 近年来，人们利用近晶相液晶的双稳态特性，将其用于新型液晶显示器件的制备，如电子相框、电子广告牌、智能调光玻璃、电子货架标签及电子纸等. 但是，由于近晶相液晶粘度较大，在电场作用下分子较难转动，即驱动电压较大，不适用于电脑、电视等快速响应的显示器，这正是阻碍近晶相液晶在显示器行业发展的重要原因. 因此，降低驱动电压，改善近晶相液晶显示器件的电光性能变为尤为重要.

随着纳米科技的发展，纳米材料逐渐成为在改善液晶性能方面最为高效的物质[9]. 由于液晶具有良好的兼容性，将纳米粒子掺杂进液晶后，在不改变液晶分子原来指向矢分布的同时，也将纳米粒子特性融入到液晶中，这将大大改善液晶的性质，为液晶材料在显示、信息存储和传感等方面的使用提供了新的思路. 目前，已经有多种纳米粒子被应用于改善液晶的性能，如铁电纳米粒子、碳纳米管、半导体量子点、金属及金属氧化物纳米粒子[10-21]. 其中，半导体纳米材料在外加电场作用下，能产生极化电场并且无极化疲劳现象，这引起了研究者的广泛关注. 目前，半导体纳米材料改善液晶性能的研究一般集中于CdSe、ZnO及量子点[22-24]等. 本文将Cu2O 半导体纳米材料作为掺杂剂引入到近晶相液晶4-氰基-4-正苄基联苯(8CB)中，研究其对近晶相液晶电-光性能的改善效果. 结果表明， Cu2O 纳米粒子的加入能有效降低 8CB 的驱动电压，提高 8CB 的响应速度，明显改善了近晶相液晶 8CB 的电-光响应性能.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

液晶材料：8CB (近晶相液晶，由江苏合成显示科技股份有限公司)，图 1A为该液晶的相态转变温度，可在室温环境中使用，其分子结构式如图1B 所示. 当温度为 293.0 K，在可见光 (=589 nm) 下，折射率分别为：no=1.519，ne=1.720，双折射率为△n=ne-no=0.201.

图1 近晶相液晶8CB 的相态转变温度示意图及其结构

Figure 1 The phase transition temperature diagram and the structure of semctic liquid crystal 8CB

纳米材料：Cu2O 纳米粒子(Cu2O NPs)，由本实验室合成[25]，平均粒径约为220 nm.

实验仪器：液晶参数综合测试仪(LCT -5066C，长春联城仪器有限公司)、偏光显微镜(Olympus BX51，日本奥林巴斯有限公司).

1.2 Cu2O NPs/8CB 复合物的制备

称取一定量的 Cu2O 纳米粒子 (Cu2O NPs) 溶解到无水乙醇中并超声使其均匀溶解，得到 Cu2O NPs/乙醇溶液，质量浓度为 1 g/L. 取一定量的上述 Cu2O NPs/乙醇溶液加入到 8CB 中，并且超声使分散均匀，待室温下乙醇溶液挥发后得到Cu2O NPs 质量分数为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.10%的 Cu2O NPs/8CB 复合物.

1.3 制备液晶盒和灌注样品

1.3.1 组装液晶盒 将2片经过平行取向处理的 ITO 基板带有导电面的一面相互交叉搭在一起，并且用2条聚对苯二甲酸乙二醇 (PET) 薄膜放在基板中间作为间隔垫 (厚约 12 μm)，用来控制基板间的厚度，用胶水封住侧面边框，即得到用于测试近晶相液晶电-光性能的反平行液晶盒.

1.3.2 灌注样品 利用毛细作用，将 Cu2O NPs/8CB 复合物涂在液晶盒口，待样品均匀进入到液晶盒后，封住灌注口. 按照同样的方法，制备纯样品 8CB的液晶盒，作为对照样.

2 结果与讨论

无外加电场时，近晶相液晶分子在反平行液晶盒中平行排列并排列成层(图2A、图3A)；当在外加电场作用下，则近晶相液晶分子原本平行的排列被扰乱，呈现焦锥织构 (图2B、图3B)，同时透过率降低. 如果继续增大外加电压，则液晶分子的焦锥织构螺旋结构解除，逐渐达到垂直排列(图3C～H)，呈现场致向列相，即液晶分子呈垂直于基板排列(图2C、图3H)，同时透过率增大.

图2 近晶相液晶在电场作用下的表面取向排列示意图

Figure 2 Diagram of surface orientation arrangements of semctic liquid crystal under the action of electric field

当对近晶相液晶 8CB 分子施加外加电场时，由于其自身具有特殊的电-光特性，所以其透射率会发生变化. 本文采用 LCT-5066C 型液晶器件综合参数测试仪测试样品的电-光特性，在测试前首先对液晶盒施加一定的电压进行参数调试工作，液晶分子在此过程中由平行排列转变成焦锥排布，且该焦锥排布不能恢复为平行排布. 因此在进行样品测试时，样品初始态称为焦锥态，继而在电场作用下转变为垂直排列，样品透过率逐渐增大，由焦锥态变为透明态. 将液晶分子焦锥态的透过率与透明态的透过率之差定义为透过率变量，即透过率变量越大则表明液晶显示效果越好. 通过液晶综合参数测试仪可以测试得驱动电压，其中包括阈值电压(Uth)和饱和电压(Usat). 阈值电压(Uth)为透过率变量为10%时的电压值；饱和电压(Usat)为透过率变量为90%时的电压值.

图3 8CB在电场作用下的偏光显微镜照片(30 V,100 Hz)

Figure 3 The polarized optical microscope images of 8CB under the action of electric field (30 V,100 Hz)

实验中，所施加不同频率的电场和不同大小的电压均会影响液晶分子的排列，因此选用确定电压值改变频率，或者确定频率值改变电压大小的方式测试近晶相液晶8CB的电-光性能，来选定电压及外加电场频率.

近晶相液晶8CB在相同频率不同电压及相同电压不同频率的外加电场下的电光性能曲线(图4)，由图4A 分析可得，在100 Hz、10～100 V的电场作用下，8CB表现出不同的电-光性能，并且驱动电压(包括阈值电压和饱和电压)随着电压的增大而增大. 当电压为30 V时，初始焦锥态透过率最小，而电压小于30 V时，光学初始透过率依次降低. 当电压增大到40 V时，初始焦锥态透过率大幅增加. 然而继续增大电压时，初始焦锥态透过率反而减小. 因此，可选用30 V的电压作为外加电压.

图4 8CB的电光性能曲线

由图4B可知，在电压为30 V不同频率的外加电场下，液晶 8CB 表现出不同的电-光性能. 随着外加电场频率的增大，透过率变量逐渐变大，驱动电压(阈值电压和饱和电压)降低，且在频率为100 Hz时，初始焦锥态透过率最小. 所以综合以上结果，则选用中间频率 100 Hz作为外加频率. 因此，以下实验中采用电压为30 V ，频率为100 Hz外加电场，测试Cu2O NPs与近晶相液晶 8CB 复合体系的电光性能. 图5是 Cu2O NPs/8CB复合体系在 30 V、100 Hz的电场作用下的电-光性能测试曲线. Cu2O NPs的掺杂改善了8CB体系的电-光性能. Cu2O NPs掺杂质量分数为 0.05%时，阈值电压和饱和电压降低程度最大，分别达到50.19%与31.49%，在Cu2O NPs 掺杂质量分数为0.20% 时，透过率变量达到最大，显示效果最佳.

由电-光曲线和透过率分析可得知，阈值电压的降低主要是因为掺杂纳米粒子后，在液晶中产生了缺陷且由于Cu2O NPs本身带有正电荷且极性大，在外加电场下能增强与液晶分子的偶极作用，能够扰乱液晶分子的原本有序的排布，从而破坏了近晶相液晶有序的层状排布的稳定性，使得液晶容易转变为焦锥态，从而降低了阈值电压Uth. 当外加电压大于阈值电压时，液晶则变为电场诱导的焦锥态，液晶分子处于相对的杂乱分布，所以液晶的透过率降低. 继续增大外加电压，液晶分子则会由焦锥态转变为场致向列态，垂直于基板分布，整体呈现光学透明态. 这是由于Cu2O NPs自身独特的性质，在外加电场作用下周围产生有效电场进而有效驱动液晶分子转动为沿电场分布，并且加强了自身与液晶之间的相互作用，降低了液晶转动所需要的能量，使得阈值电压和饱和电压降低.

图5 在30 V、100 Hz的电场作用下Cu2O NPs/8CB复合体系电-光性能

Figure 5 The electro-optic performance of Cu2O NPs/8CB composites under the action of electric field(30 V,100 Hz)

3 结论

Cu2O 纳米粒子的掺杂改善了近晶相液晶8CB 的电-光性能. 在30 V、100 Hz的电场作用下，8CB 的电-光效应达到最佳效果. 在同样的外加电场下，掺杂Cu2O NPs后液晶分子趋向于外加电场方向的排列. 当Cu2O 纳米粒子的掺杂质量分数达到0.05%时，阈值电压和饱和电压的降低程度最大，分别降低50.19%、31.49%. Cu2O NPs 作为半导体纳米粒子携带正电荷，能增强与液晶分子之间的偶极作用；其表面粗糙，比表面积比较大，能吸附液晶盒内的杂质离子并减弱屏蔽效应；Cu2O NPs在外加电场作用下能够产生局域极化电场，增强了其周围液晶分子的有效电场，从而加速了液晶分子的转动，达到了改善液晶电-光效应的效果. 相信在未来的液晶显示中，Cu2O纳米粒子能发挥其高效性能.

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【中文责编：谭春林 英文审校：李海航】

Electro-Optical Properties of Smectic Liquid Crystal Display Doped with Cu2O Nanoparticles

LIU Fashun1， CUI Xiaopeng2， ZHAO Dongyu1*， XU Lihong1， LIU Bin1， BI Weihua1

(1. School of Chemistry and Environment, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. Beijing BOE Display Technology Co. Ltd., Technical Department, Beijing 100176, China)

Semiconducting nanomaterials could produce the polarization electric field without polarization fatigue under electric field, leading to the enhancement of the electric-optical properties of liquid crystals. In our study, Cu2O semiconductor nanoparticles were added into a semctic liquid crystal, 4-cyano-4-octylbi phemy (8CB), and the effect on electric-optical properties of liquid crystal was studied. Cu2O nanoparticles have a large positive charge, which enhances the interaction with the liquid crystal. And the electric field of the liquid crystal molecules around nanoparticles would speed the switching of molecular of liquid crystals, leading to a reduce of the threshold voltages of liquid crystal and further improving the electric-optical properties of liquid crystal.

liquid crystal display device; driving voltage; electric-optical properties; semiconductor nanomaterials; Cu2O nanoparticles; semctic liquid crystal

2016-10-25 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(51203005，516730078)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(YWF-13-T-RSC-098)

O482.7

A

1000-5463(2017)01-0035-05

*通讯作者:赵东宇，副教授，Email:zhaodongyu@buaa.edu.cn.