南京大学胡伟教授研究组AOM：基于聚合物稳定层状液晶的电调微透镜阵列

创新点：利用近晶相液晶的层状组装实现了电调微透镜阵列的制备。通过光配向取向层设计引入特定奇点分布，以精确操纵近晶相环面焦锥畴的单元大小及排布对称性；进一步通过聚合物稳定和成分优化，实现了室温下具有热和电可逆调谐性的液晶微透镜阵列。研究丰富了对层级组装结构的操控，有望激发奇妙的新型动态光子学元件。

关键词：Advanced Optical Materials，近晶相液晶，微透镜，光取向，层级组装，南京大学

图1. a）未聚合和已聚合TFCD在温度循环中的显微织构对比；b）室温下聚合物稳定TFCD透镜阵列在电压驱动下的指向矢空间分布变化；c）TFCD透镜焦距对单元尺寸和液晶膜厚的依赖性。

近晶相下，液晶棒状分子分层排列，每一层内分子长轴相互平行且垂直或倾斜于层面。在对抗性边界条件下，分子层会发生有序空间弯曲成为杜宾四次环面，进而形成规整的环面焦锥畴阵列（Toric focal conic domains, TFCDs）。TFCD无穷旋转轴结构对应的指向矢分布所引起的梯度折射率变化赋予了其用作微透镜阵列的可能，可用于仿生复眼、光掩模版和4D视觉成像。然而，该类微透镜目前面临着两项严峻的挑战：一是TFCD的自由设计和可靠生成。尽管近些年来人们通过采用微通道和微柱的几何限制以及化学改性、机械摩擦和多次冲压生预编程锚定对TFCD进行特定操控，但任意设定TFCD的大小和位置仍然困难。另外，由于近晶相液晶分子排列高度有序，使得分子间相互作用较强并具有恒定的层间距，这限制了TFCD结构在外场下的动态调谐性。这严重阻碍了TFCD微透镜阵列的实际应用。

针对前一挑战，南京大学胡伟教授研究组利用“自上而下”的图案化光配向预设具有特定奇点分布的取向，结合 “自下而上”的液晶层状自组装，有效操控了TFCD阵列的形成。通过调节单个奇点区域的尺寸，可以控制TFCD的单元尺寸。通过改变奇点的排列方式，则可实现实现对TFCD阵列排列对称性的控制。这证实了近晶相TFCD的三维层状结构可以通过合理预设二维取向层而进行有效控制，为TFCD阵列的自由设定提供了一种实用的方法。针对TFCD微透镜阵列焦距难以调谐这一难题，研究团队引入聚合物网络，利用其对邻近液晶分子的锚定使得TFCD中的液晶指向矢分布保持稳定。这样即使液晶升温到向列相，其指向矢分布特征仍能很好的保持住。进一步优化液晶组成，可实现室温下处于向列相的聚合物稳定TFCD微透镜阵列。利用向列相液晶优良的外场响应性，温调或电调即可实现透镜焦距的大范围调谐。成像功能稳定存在于整个向列相温度范围内，且调焦过程具有可逆性。

该研究拓展了对软物质自组装行为的认识，增强了设计构筑多层级超结构的能力，并探索了该结构在微透镜阵列方面的潜在应用。该聚合物稳定策略可以进一步扩展到其它近晶相结构，例如油性条纹和变形FCD等，并有望激发更多具有优良调控性能的新型光学微结构元件。

WILEY

论文信息：

Electrically Tunable Microlens Array Enabled by Polymer-Stabilized Smectic Hierarchical Architectures

Jin-Bing Wu, Sai-Bo Wu, Hui-Min Cao, Quan-Ming Chen, Yan-Qing Lu and Wei Hu*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202201015

点击左下角 “ 阅读原文 ” ，查看该论文原文。

Advanced

Optical

Materials

期刊简介

Advanced Optical Materials创刊于2013年，是一本报道材料科学领域与光-物质相互作用相关的突破性研究的跨学科国际期刊。其收录论文的研究领域包括光子学、等离激元光子学、超材料等。2021年影响因子为10.05。

AdvancedScienceNews

Wiley旗下科研资讯官方微信平台

长按二维码 关注我们

分享前沿资讯｜聚焦科研动态

发表科研新闻或申请信息分享，请联系：[e-mail]