北京大学杨槐教授课题组在电场响应型液晶光子晶体等研究中取得系列进展

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北京大学工学院杨槐教授课题组在响应型柔性光子晶体研究方面取得重要进展。该研究成果发表于Advanced Functional Materials，论文题目为“Asymmetric Tunable Photonic bandgaps in Self-Organized 3D nanostructure of Polymer-stabilized Blue Phase I Modulated by Voltage Polarity”。

响应型光子晶体因其可调控的周期性结构和对特定频率光波的有效控制，被认为是一种新型智能材料并在下一代纳米光子技术中具有广阔的应用前景，但精细的微观结构和复杂的制备工艺要求为其发展带来了重大挑战。在众多有机和无机材料当中，液晶材料既具有晶体的微观分子排列结构又具有液体的宏观流动性，因此可自组装形成周期性结构且对外界刺激保持高敏响应，是制备响应型光子晶体的一种理想材料。

杨槐教授课题组通过聚合物稳定蓝相自组装立方晶格微纳结构的方法制备了一种具有电场调控特性的三维蓝相液晶光子晶体薄膜，其光子带隙在-30℃～60℃范围内表现出优异的热力学稳定性能。室温条件下，该薄膜在直流电场作用时表现出光子带隙非对称双向移动的电场响应特性，且光子带隙的位置受电场方向和场强大小调控，移动范围可覆盖可见光波段。基于该种材料可制备低激发阈值的电调谐蓝相液晶激光器，激光波长调控范围可达22nm。

蓝相液晶光子晶体电场响应示意图：（a）无电场；（b）施加负向电场；（c）施加正向电场

通过一系列对比实验发现聚合物网络的存在和结构对薄膜电场响应特性起至关重要的作用。扫描电镜图片表明该薄膜具有自上而下密度逐渐降低的非均匀聚合物网络结构。在直流电场作用下，带正电的聚合物网络受定向电场作用力发生移动且运动方向受电场方向控制，从而造成蓝相晶格结构的拉伸或压缩，进而表现出光子带隙的双向移动。研究者认为，通过控制液晶盒厚、聚合温度、可聚合单体质量分数、紫外光强度等实验条件，可定性地控制蓝相三维周期性结构中聚合物网络的形貌和微观结构，进而制备出具有多种电场响应特性的蓝相液晶光子晶体。该种电场响应型三维柔性液晶光子晶体薄膜材料的响应时间快，重复性和稳定性良好，有望在反射型液晶显示、可调光栅、可调激光器等领域获得广泛应用。

论文第一作者是北京大学工学院材料科学与工程系博士生王萌。本研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201702261/abstract

另外杨槐教授和郭少军教授课题组在多响应型柔性液晶调光膜领域取得重要合作研究进展，制备了一种能够高效屏蔽近红外光、同时可见光透过率可通过温度和电场两种方式调控的柔性液晶调光膜。该研究成果发表在Materials Horizons（IF:10.706）上，论文题目为“A temperature and electric field-responsive flexible smart film with full broadband optical modulation”。

智能调光膜因其可选择性调控（屏蔽）太阳光的能量而在建筑节能领域具有广泛的应用，但是现有的调光膜材料只能选择性调控（屏蔽）可见光或近红外光，主要原因在于对可见光调控的材料与对近红外光调控的材料之间存在界面不兼容的问题。若能够解决上述两类材料之间的界面兼容性问题，则有望实现调控能力覆盖可见光和近红外光的智能调光膜的制备。

杨槐教授和郭少军教授课题组通过合作研究，通过在非极性的氧化铟锡纳米粒子表面包覆极性的二氧化硅过渡层，实现了氧化铟锡纳米粒子在极性的液晶/丙烯酸酯复合材料体系中的单分散，解决了非极性氧化铟锡纳米粒子与极性液晶/聚合单体体系之间界面不兼容的问题。课题组利用氧化铟锡纳米粒子对近红外光的等离子体共振吸收作用，所制备的薄膜可屏蔽掉95%以上的近红外光；同时，利用具有近晶相～胆甾相相变液晶材料对温度和电场的双重响应特性，实现了温度和电场两种方式对薄膜可见光透过率的调节。

纳米粒子改型路线、薄膜处于不同状态时的光谱、薄膜内部高分子结构及薄膜在不同温度与电场作用下的实物照片

此外，在制备薄膜的过程中，课题组利用分步紫外光固化技术，在薄膜内部构筑杨槐教授课题组首创的聚合物分散与稳定液晶共存体系，利用该体系独特的网络结构，在不影响薄膜低温透明态对可见光透过率的同时，赋予了薄膜很好的粘结强度，有利于实现大面积柔性薄膜的辊对辊加工制备，具有很强的实用价值。

论文第一作者是北京大学工学院材料科学与工程系博士生梁霄。本研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/mh/c7mh00224f#!divAbstract

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