[纳米微粒与ＬＣＤ：一个令人惊奇的世界] 纳米微粒

　　摘要：把纳米微粒加进液晶显示器(LCD)的主要媒介之中，将引发液晶材料几乎所有的物理性能发生改变，导致工作电压和响应时间均下降。这种技术可能是不需要进行化学分析来提高液晶材料性能的备选方案。
　　关键词：纳米微粒；液晶显示器
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：A
　　
　　Nanoparticles and LCDs: It"s a Surprising World
　　
　　Shunsuke Kobayashi，Naoki Toshima
　　（Electronics and Information at the Graduate School of
　　Science and Technology (GSST) ， Japan）
　　
　　Abstract: Doping nanoparticles into liquid-crystal-display (LCD) host media induces the modification of almost all the physical properties of liquid crystal, causing a reduction of both the operating voltage and the response time. These techniques may be an alternative approach for improving the properties of liquid crystal other than chemical synthesis.
　　Keywords:nanoparticle；LCD
　　
　　液晶显示器(LCD)掺入纳米颗粒以后展现出新颖的、令人着迷的有利特性，比如工作电压降低和响应时间加快。有时候尽管纳米颗粒的占空因子非常小，譬如在10-3~10-4数量级，但会导致工作模式的一些变化。有几类尺寸在几个纳米的纳米颗粒已运用到我们的研究中，如金属、无机物材料、半导体以及聚合物纳米结构体等等。在这里提供一些掺入纳米颗粒增强性能的LCD示例，我们演示一款场序全色LCD，它采用赝自旋阀(PSV)LCD屏展现出完美的影视图像，削弱了色乱现象。我们还展示一款超扭曲(STN)LCD，它展示出在低温(如-30°C)下有极快的响应速度。而且给出一些我们从研究中获得的原始试验结果，并试图为这些现象做出理论解释。
　　
　　纳米微粒是什么
　　
　　或许可以把这样一些颗粒视为纳米微粒，即它们的尺寸在2~100nm之间。金属纳米微粒的历史可以追述到几百年以前。一个好的例证是彩色玻璃画窗展示出美丽的色彩。这些颜色就来自于如金(Au)等散布在玻璃主介质之中的金属纳米微粒。另一个例证是分散在水中的胶体金。金属纳米微粒早已广泛运用在化妆品和填充物方面，并分散到一些工业材料如纸张和墨水之中。我们拓展了这些技术并将它们应用到LCD，不仅使用在热致液晶如扭曲型、近晶型、胆甾型、铁电型和聚合物类，而且使用到溶致液晶型的LCD之中。
　　就我们所知，有几类纳米微粒已经应用到LCD，它们包括金属[1][2]，涵盖形如MgO[3][4]、SiO2[5]、BaTO3[6][7]、Sn2P2S6[6][7]的氧化物类无机物材料，铁磁材料，聚合物材料，碳60[11]以及其他(本文不涉及碳纳米管)。
　　通常来说，纳米微粒很难在主介质中形成良好的空间分布(就作为主介质而言，水是其中最容易的主介质，有机溶剂加水、有机溶剂和液晶随着排序向后，其难度增大)。
　　为了实现良好的空间分布，有必要采用所谓的配体分子来覆盖纳米微粒，以防止它们在介质中聚合；当然，有些情况下不需要特别的配体分子。我们在研究工作中选用扭曲型液晶分子作金属纳米微粒的配体分子，但对其它纳米微粒，我们采用不同的方法对待，有用全新的合成分子，或者根本就不用特别的配体分子。
　　图1描绘了掺入纳米微粒的LCD液晶盒截面的分子配置状况。当然，这是凭猜想绘制的。在这种情形下，配体分子采取线形配置(另一种可选方案是圆形配置)[12]。
　　
　　纳米微粒合成
　　
　　Pb、Ag和Pt金属纳米微粒已被用作散布在液相中的催化剂，这时候通常覆盖有起配体分子作用的聚合物。但是，该方案在LCD中应用是失败的，因为这会破坏LC的排序。我们有一个Ag/Pd纳米微粒胶状分散的合成例子是有的放矢的。先把高氯酸银和醋酸钯伴同扭曲型液晶一起溶解在乙醇溶液中，接着用UV光源照射该溶液，或者是迫使其脱去其中的酒精[1][2]。半导体纳米微粒也采用类似方法合成[13]。对于聚合物而言，在发生光固化之前，把吸纳了扭曲型液晶(NLC)的1-丙烯酸脂或者2-丙烯酸脂掺入液晶材料中，并在电场作用下完成光固化[9][10]。
　　
　　掺入纳米微粒的LCD的光电效应
　　
　　已有报道表明由于纳米微粒的存在，LCD中液晶材料的物理性能发生改变，即对掺入纳米微粒LCD的光电(EO)特性产生很大影响，这与纳米微粒的属性、尺寸和浓度有关系。该方法是替代传统化学分析来提高LC性能的另一个方案。下面我们给出相关研究细节。
　　
　　铁磁纳米微粒
　　
　　在这种情况下，每个纳米微粒拥有一个大的固定磁矩，它可诱导LC分子对位排列，因此LC材料的物理特性将发生改变，这种变换与纳米微粒的浓度有关[8]。
　　
　　铁电纳米微粒
　　
　　当各个纳米微粒吸纳一个单晶相时，它就拥有大的固定电偶距，可诱导周围的LC分子对位排列，这能导致清亮点和有序参量的提高[6][7]。因此降低了阈值电压和工作电压[6][7]。当然，这些特性的出现很大程度上与纳米微粒和液晶主材料的结合相关[6](掺BaTiO3的LCD的光电效应很大程度上取决于BaTiO3纳米微粒的合成工艺[15])。
　　
　　金属纳米微粒
　　
　　那么，掺入金属纳米微粒的LCD会发生什么呢？令人惊奇的是，掺入金属纳米微粒的LCD工作得像一个光电开关，或者像是一个点阵LCD，在最快的器件上表现出500μs的响应速度，而液晶盒厚5μm。图2展示了一个频率调制响应的例子，该TN液晶盒具备短的响应时间，其中有5CB-Ag纳米微粒。这个器件被称作FM/AMLCD[16]。在给出相关研究结果细节前，请记住下面有关金属纳米微粒的特性：(1)由于相当强烈的库伦力作用(库伦定律)，金属纳米微粒是从来不会因为电子的注入而发生离化的；(2)散播在电容器中的纳米微粒填充了LC这样的绝缘体，并且在垂直电场中，由于强大的去偶电场作用，就变成了绝缘体[16]。
　　由于金属纳米微粒中存在电子，那么金属纳米微粒与周围LC分子之间的电弛张时间就不同，比如△τ=ε0（ε1/σ1-ε2/σ2），其中ε1和σ1分别是LC的介质常数和电导率，ε2和σ2分别是金属纳米微粒的介质常数和电导率。△τ产生了麦克斯韦效应(M-W)[18][19]，这就在各个纳米微粒周围界面产生额外的振动电荷。相应地介电常数发生跳跃，即[ε(0)-ε(∞)]，这被称为低频区域的电介质强度，低频区域的中心值大约是介电驰豫频率fR(=1/(2πτ))，该频率确定着FM/AMLCD的工作电压频率范围(τ表示介电驰豫时间)。我们从介电函数得到德拜分布公式：
　　
　　实际上的介电驰豫频率范围从几个Hz到几百Hz，这取决于金属纳米微粒材料及其浓度。图3(a)和3(b)给出了介电光谱的数据，这是基于掺入5CB-Ag/Pd的TN-LCD样机研究的。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　为了理解清楚FM响应频率范围，快速响应，以及掺入TN-LCD的金属纳米微粒的介电函数，我们基于图4所示的等效电路用方程表示出介电函数[16]。在附录里我们例举公式(1)的构建，这是由笔者比照Maxwell-Garnett于1906的研究推导出来的[20]。我们的方程式是用以表示方程ε"(ω)和ε""(ω)，如附录1所示，Maxwell-Garnett于1906的研究推导而来的τ不包括占空因子φ2[20]。与之相反的是，在图3(a)和3(b)中得到的数据表明与纳米微粒浓度相关，即与φ2相关。通过使用这个公式，我们成功地解释了下列介电光谱的实验数据。首先，定义ε (ω)的增益为G = [ε(0)-ε(∞)] / ε(∞)，G的实验值大约是10；这个值与我们公式的计算值一致。
　　其次，讨论介电驰豫时间，假设σ2 >σ1，可得到τ的近似公式，这与FM频率相关，即：
　　
　　图5中的黑方块点是从图3(a)和3(b)中的曲线取值得到τ的数据，而实线则是理论计算，符合公式(1)的数据。通过选择τ1=0.6s，ε2/ε1=-13.6，σ2/σ1=3×104，理论与实验获得很好的一致性。我们对5CB-Pd/5CB和NLC-Ag/Pd等样品也有一致的看法。
　　这些结果带来了两个问题：一个是τ值，其处于10-4s量级；如果对于金属，令σ2 ≈107S/m，则得τ ≈ 10-19s。这与10-4s量级的差异较大。我们考虑σ2的量级为σ2 ≈10-8S/m，而另一个新的问题，为什么是这个量级？关于这个问题，Kittel在他的书中给出了演算，他的书涉及在直流电场应用中，含有悬浮金属颗粒的真空介质的介电常数[21]。答案就是这类体系的介电常数几乎就等于真空介质[21]，这是归结为电子在金属颗粒中的位置不能变动，因为存在非常强的去偶电偶矩。我们的情况与此稍有差异，这是因为所使用的是交流电场，而且各个纳米微粒由LC分子覆盖着，LC分子有微弱的电偶矩以及一些杂质离子。于是，在我们的条件下，嵌入LC这种绝缘介质中的金属纳米微粒，其行为却表现成半绝缘材料特征。这就是对τ值的解答。
　　由于LCD由多层结构组成，M-W效应就出现其间。M-W效应主要归结为在纳米微粒表面区域出现了额外电荷△q的振动，用等效电路(见图4)的A点表征。这些额外电荷△q表示为：
　　
　　对于交流电场来说，V=Vsin(ωt)，△q表达式中的相移φ为tanφ = ωt，其中
　　
　　公式(4)的数值一定非常小，这是因为e(w)中有原点附近的增益G，这就意味着M-W效应源于额外振动电荷△q，但相移φ必须很小，即φ 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　[4] S. Sano, K. Takatoh, T. Miyama, and S. Kobaya -shi, SID Symposium Digest Tech. Papers 37, 694-696 (2006).
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　　（南开大学 代永平
　　译自《information Display》9/07）
　　
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