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东华大学孙嘉曈副教授、根特大学K. Neyts教授《ACS AMI》: 大尺寸银纳米线在液晶中的分散、取向以及在光电器件中的应用

时间：2023-02-16 来源：浏览：

东华大学孙嘉曈副教授、根特大学K. Neyts教授《ACS AMI》: 大尺寸银纳米线在液晶中的分散、取向以及在光电器件中的应用

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收录于合集

#银纳米线 4 个

#光电器件 4 个

#液晶器件 2 个

#纳米材料 7 个

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分散和自组装的一维纳米材料具有优异的光电性能，对制备新型的光电器件具有一定的价值。液晶是一种具有晶体各向异性和液体流动性的功能性材料。利用液晶分子取向纳米材料已经吸引了许多研究者的兴趣，如取向金纳米棒、金纳米片、碳纳米管、 CdS/CdSe 纳米棒、银纳米片等。这些取向的纳米材料有利于应用在偏振片、电开关、液晶显示和智能窗等器件中。然而，这些纳米材料的尺寸和长径比均较小，利用液晶分子取向更大尺寸纳米材料并探究其光电性能具有一定的挑战。

近日，东华大学孙嘉曈副教授课题组与根特大学 Kristiaan Neyts 教授课题组在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》期刊上发表了题为 “ Dispersion and Tunable Alignment of Colloidal Silver Nanowires in a Nematic Liquid Crystal for Applications in Electric-Optic Devices ” 的文章（ DOI ： 10.1021/acsami.2c20987 ）。论文中利用光控取向技术实现了大尺寸的银纳米线在液晶中的取向（序参数约为 0.9 ），并在电场作用下得到其三维方向上的调控。分散并组装在液晶中的银纳米线影响着液晶的电子运输、弹性常数、介电各向异性和分子的取向，从而影响着液晶器件的光电性能。

1. 银纳米线的制备

实验中的银纳米通过多元醇还原法制备，纳米线的微观表征如图 1 所示。通过扫描电子显微镜（图 1a ）发现，银纳米的平均长度和直径约为 4.5 μm 和 70 nm ，长径比为 64 。透射电子显微镜（图 1b ）和拉曼（图 1c ）证明了银纳米线外包裹一层 1.5 nm 厚的聚合物材料 PVP ，对应到 X 射线能谱图（图 1d ）。液晶 E7 分子和 PVP 之间的作用力使银纳米线的长轴沿着液晶的指向矢分布，从而实现液晶取向银纳米线的目的（图 1e ）。

图 1 （ a ）银纳米线的扫描电子显微镜图；（ b ）银纳米线的透射电子显微镜图；（ c ）银纳米线的拉曼图；（ d ）银纳米线的 X 射线能谱图；（ e ）银纳米线在液晶中取向的原理图。

2. 银纳米线在微区中的自组装

光取向层（ SD1 ）对偏振紫外光敏感，通过偏振光的照射可以获得液晶器件的光取向层。图 2b 和 2c 为两种不同浓度银纳米线在液晶盒中的偏光显微镜图，可以看到大部分银纳米线在液晶盒中沿着液晶的指向矢方向排列。通过光掩膜板和改变偏振光的偏振方向，可以制备不同微区中的不同取向。图 2d-i 为平行取向和扭曲取向的两个微区中的偏光显微镜图，在不同取向方向的微区中，银纳米线具有不同的排列方式。通过光取向技术可制备出平面内任意方向取向的银纳米线。

图 2 （ a ）银纳米线 / 液晶在液晶盒的取向原理图；（ b-c ）两种不同浓度银纳米线的偏光显微镜图像；（ d ）偏振光照射“ DHU ”掩膜板的原理图；（ e ）正交偏振光下具有 “ DHU ”图案的照片；（ f ）两种模式下取向银纳米的偏光显微镜图；（ g ）偏振光照射方形掩膜板原理图；（ h-i ）对应原理图 g 的偏光显微镜图像。

3. 银纳米线对液晶器件电学性能影响

液晶器件的电流与电压线性相关，且电导率较小（图 3a ）。掺杂了银纳米线的液晶盒在电场作用下，液晶分子和银纳米线沿着电场方向取向，这就有利于器件中电子的运输，影响器件电导率的变化（图 3b-e ）。相较于纯液晶，银纳米线的掺杂将大幅增加器件中的内部电流值（图 3f ）。

图 3 （ a ）纯液晶的电压 - 电流变化关系图；（ b ）不同浓度银纳米线掺杂液晶的电压 - 电流变化关系图；（ c-e ）不同银纳米线浓度的电学性能变化；（ f ）银纳米线对器件中电流的长时间影响。

4. 银纳米线对液晶响应时间的影响

由于银纳米线的尺寸远远大于液晶分子的大小，液晶中的银纳米线将影响附近液晶分子的取向（图 4a-c ），导致液晶分子旋转需要较大的弛豫时间，增加了器件的响应时间（图 4e-i ）。此外，银纳米线的掺杂也将增加液晶的介电各向异性以及降低弹性常数，并降低了器件的阈值电压（图 4h ）。

图 4 （ a ）银纳米线 / 液晶器件测试原理图；（ b-c ）银纳米线对液晶响应时间影响原理图；（ d ）透过率和电压关系图；（ e-g ）器件的响应时间图；（ h ）不同银纳米线浓度液晶器件的阈值电压；（ i ）不同银纳米线浓度液晶器件的 t _on 。

论文中探究了大尺寸银纳米线在液晶中的分散和自组装，测试并分析了银纳米线对液晶器件光电性能的影响，为液晶取向其他大尺寸纳米材料和制备新型光电器件提供了一定的参考价值。

东华大学和根特大学联合培养博士生桑景新为论文第一作者，东华大学孙嘉曈副教授为通讯作者，东华大学尚建华副教授、张义红教授、赵曙光教授和根特大学 Kristiaan Neyts 教授对本研究有突出贡献，东华大学博士生周鑫、硕士生夏子琪对本工作亦有重要贡献。该研究由中央高校基金、松江科委基金、国家自然科学基金、中国留学基金委基金和东华大学博士研究生创新基金等资助完成。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c20987

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