一种基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件及其制备方法和应用

本发明属于光学材料和器件，具体涉及一种基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、圆偏振光是两个频率相等、振动方向相互垂直、相位差恒定的线偏振光波的叠加。与自然光不同，圆偏振光的电场矢量在其传播方向上呈螺旋式旋转，具有独特的角动量属性和手性表征能力。根据其电场矢量旋转方向不同，圆偏振光可以分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

2、圆偏振光在3d显示、信息加密、量子通信、光催化不对称合成等领域具有广阔的应用前景。目前实现圆偏振发光的方式主要有超分子自组装、手性分子材料本征发光、胆甾相液晶体系等，其中胆甾相液晶体系具有自组织的螺旋结构，可作为手性光子晶体，选择性反射与其手性匹配的圆偏振光（cpl），透射与其手性相反的圆偏振光，从而实现高发光不对称因子（glum）的cpl发射。

3、发光不对称因子（glum）作为量化圆偏振发光性能的关键性指标，其表达式为glum=2×(il-ir)/ (il+ir)，其中il和ir分别表示左旋圆偏振光强度和右旋圆偏振光强度，glum的取值范围为-2至2，其绝对值越大，表明圆偏振发光不对称程度越高，即偏振的选择性越强。

4、目前传统器件结构大多只能实现单一旋性的cpl发射，难以实现旋性切换。虽有研究通过电、热调控或四分之一波片实现切换，但这些方法普遍存在器件结构复杂、依赖外部信号输入、光学损耗大等问题，不利于器件的集成化和高效化应用。

5、因此迫切需要一种具有高发光不对称因子、高效率且不依赖外部器件信号输入的圆偏振光调控器件，以实现对圆偏振光不同旋性的调控。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件及其制备方法。本发明的基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件可以通过简单的应力拉伸，实现圆偏振光的不同旋性之间的切换。且本发明的器件结构简单、制备工艺可控，无需外加电热激励即可实现圆偏振光旋性的动态调谐，发光不对称因子高，在动态信息加密、防伪标签、柔性3d显示及动态光学显示等领域具有广阔应用前景。

2、本发明的一个目的在于，提供一种基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件，

3、所述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件从下至上依次包括：

4、下层多孔液晶弹性体膜、上层多孔液晶弹性体膜和有机硅弹性体（pdms）层；

5、其中，

6、所述下层多孔液晶弹性体膜和上层多孔液晶弹性体膜的手性旋性相反；

7、所述下层多孔液晶弹性体膜和上层多孔液晶弹性体膜内均填充有原位生长的钙钛矿纳米晶。

8、进一步地，所述下层多孔液晶弹性体膜的原料为第一可聚合胆甾相液晶混合物，所述第一可聚合胆甾相液晶混合物包括：向列相液晶、可聚合液晶单体、第一手性掺杂剂、光引发剂、二硫醇；

9、所述上层多孔液晶弹性体膜的原料为第二可聚合胆甾相液晶混合物，所述第二可聚合胆甾相液晶混合物包括：向列相液晶、可聚合液晶单体、第二手性掺杂剂、光引发剂、二硫醇。

10、进一步地，所述第一手性掺杂剂和第二手性掺杂剂的旋性相反。

11、进一步地，所述下层多孔液晶弹性体膜和上层多孔液晶弹性体膜的厚度为10-20μm。

12、优选地，所述下层多孔液晶弹性体膜和上层多孔液晶弹性体膜的厚度相同，以保证圆偏振光调控效果。

13、本发明的另一个目的在于，提供上述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件的制备方法，所述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件的制备方法包括以下步骤：

14、s1：在下基板表面旋涂脱膜剂硅烷溶液，得到硅烷层；

15、s2：在临时上基板表面旋涂聚合物溶液，然后进行取向，得到带有平行取向层的第一临时上基板；

16、s3：将向列相液晶、可聚合液晶单体、第一手性掺杂剂、光引发剂、二硫醇共混，加热搅拌，得到第一可聚合胆甾相液晶混合物；

17、s4：在所述硅烷层的四角加入第一厚度控制材料，将所述第一可聚合胆甾相液晶混合物滴加至硅烷层，并用第一临时上基板覆盖，然后沿上基板取向方向轻轻搓动，之后用紫外光照射；

18、s5：将所述下基板冷冻，然后移除第一临时上基板，得到下层液晶弹性体膜；

19、s6：取另一临时上基板，旋涂聚合物溶液，然后进行取向，得到带有平行取向层的第二临时上基板；

20、s7：将向列相液晶、可聚合液晶单体、第二手性掺杂剂、光引发剂、二硫醇共混，加热搅拌，得到第二可聚合胆甾相液晶混合物；

21、s8：在所述下层液晶弹性体膜的四角加入第二厚度控制材料，将所述第二可聚合胆甾相液晶混合物滴加至下层液晶弹性体膜，并用第二临时上基板覆盖，然后沿上基板取向方向轻轻搓动，之后用紫外光照射；

22、s9：将所述下基板冷冻，然后移除第二临时上基板，得到上层液晶弹性体膜，形成双层液晶弹性体；

23、s10：将所述双层液晶弹性体放入溶剂中，洗出内部不可聚合液晶小分子，得到双层多孔液晶弹性体膜；

24、s11：将钙钛矿前驱体材料、配体共混，得到钙钛矿前驱体溶液；

25、s12：在所述双层多孔液晶弹性体膜的表面滴加钙钛矿前驱体溶液，然后用反溶剂蒸汽萃取，退火，得到加载钙钛矿纳米晶的多孔液晶弹性体膜；

26、s13：在所述加载钙钛矿纳米晶的多孔液晶弹性体膜表面涂抹有机硅弹性体，固化后取下弹性体膜，得到所述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件。

27、进一步地，步骤s3中，所述向列相液晶、可聚合液晶单体、第一手性掺杂剂、二硫醇的质量比为(20-30):(40-60):(10-20):(7-15)。

28、进一步地，步骤s7中，所述向列相液晶、可聚合液晶单体、第二手性掺杂剂、二硫醇的质量比为(20-30):(40-60):(13-25):(7-15)。

29、进一步地，步骤s6中，所述第二厚度控制材料的尺寸为所述第一厚度控制材料的1-3倍。

30、进一步地，所述上基板和下基板的材料选自玻璃、亚克力板、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。

31、进一步地，所述脱膜剂硅烷为十三氟辛基三乙氧基硅烷。

32、进一步地，所述聚合物选自聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

33、具体地，所述平行取向层用于诱导液晶分子定向排列。

34、具体地，在所述液晶弹性体膜表面涂抹有机硅弹性体用于增强器件的机械拉伸性能。

35、本发明在研究中发现，形成多孔互传网络的可聚合液晶混合物的基体配比对最终器件性能至关重要；当可聚合液晶单体与向列相液晶的质量比过低（例如当可聚合液晶单体质量分数小于20%）时，体系无法搭建起稳定的网络结构，在洗出不可聚合的液晶小分子之后整个网络体系会发生坍缩，导致整体器件结构失效；而当该比例过高（例如当不可聚合的液晶小分子质量分数低于20%）时，形成的聚合物网络将会致密，其中孔洞较小，后续钙钛矿纳米晶的原位合成难以进行，钙钛矿在膜（下层多孔液晶弹性体膜、上层多孔液晶弹性体膜）内无法有效原位生长；因此，本发明严格控制二者的质量比，以确保搭建的聚合物网络结构稳定、钙钛矿原位合成的效果好。此外，研究中发现，加入二硫醇的含量是影响液晶弹性体膜拉伸机械性能的一大重要因素，当二硫醇含量较低（质量分数低于10%）时，液晶弹性体膜的机械性能差，难以进行大变形的拉伸。但是需要注意的是，当硫醇量过大（质量分数大于30％）时，则会过多反应消耗可聚合液晶单体，导致后续构建聚合物网络的液晶单体减少，网络体系易坍缩失效。因此，本发明严格控制二硫醇添加量，确保器件拥有较好的机械性能。

36、本发明的另一个目的在于，提供上述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件在动态信息加密与防伪标签、柔性3d显示与动态光学显示中的应用。

37、本发明的另一个目的在于，提供一种圆偏振光调控方法，所述圆偏振光调控方法包括如下步骤：

38、通过应力拉伸上述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调谐器件，使钙钛矿纳米晶的输出光在无偏振态、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光之间切换。

39、具体地，所述多孔液晶弹性体具备旋性不同的两个反射带且互不重合，钙钛矿发光峰较液晶反射带波长更小，当拉伸液晶弹性体膜时，反射带会随之蓝移，当其中一个旋性的反射带匹配钙钛矿发光峰时，该旋性的光被反射，得到另一旋性的光，继续拉伸匹配第二个反射带时，获得同前旋性相反的圆偏振光，当撤去应力后，弹性体恢复为初始状态，实现对圆偏振光不同旋性的切换调控。

40、本发明具有以下有益效果：

41、1、本发明搭建了上下双层结构、旋性相反的多孔液晶弹性体结构，并通过原位合成的方法在孔道中生长了钙钛矿纳米晶，通过拉伸弹性体对钙钛矿纳米晶输出的光线进行调谐，依据拉伸形变量的不同，可获取非偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光，成功实现对圆偏振光的旋性进行可控调谐。

42、2、本发明采用原位生长法在多孔液晶弹性体膜内填充钙钛矿纳米晶，制备工艺简单，可控性好，且由于钙钛矿纳米晶直接生长于液晶弹性体膜内部，极大程度地避免了钙钛矿纳米晶与空气中水分子的接触，无需额外制备保护层，提高了钙钛矿纳米晶的稳定性与发光效率，同时简化了器件结构。

43、3、本发明所述基于多孔液晶弹性体的圆偏振光调控器件结构简单，制备流程简单，操作简便，可重复性好，在信息防伪与加密储存具有良好的应用前景；特别是其器件结构色、圆偏振光旋性可跟随拉伸应力改变的特性，使其可以作为动态显示器件，在可穿戴力学传感器、柔性显示方面拥有广阔前景。