一种用于快速低电压颜色调控的电化学胆甾相液晶器件

胆甾相液晶具有明亮的反应色，其快速的颜色调制对于下一代反射式显示器的开发至关重要。我们的方法实现了胆甾相液晶迄今为止报道中速度最快、驱动电压最低的颜色调制。其关键在于 FcD。

一种具有氧化还原响应性螺旋扭曲能力的手性掺杂剂。演示该实验步骤的是本实验室的博士后 Shoichi Tokunaga 和研究生 Mengyan Zeng。开始制备胆甾相液晶混合物时，将 84.6 毫克的 5OCB 和 5.922 毫克的 FcD 加入一个 10 毫升的玻璃小瓶中。

在另一个小瓶中，将 12.9 毫克 EMIm-OTf 溶解于 10 毫升二氯甲烷中。取 2.1 毫升 EMIm-OTf 溶液加入液晶混合物中，轻轻振荡小瓶以充分混合各组分。然后用铝箔覆盖小瓶，并用针在铝箔上刺几个小孔。

将溶液在 80 摄氏度下加热一小时，以蒸发大部分 DCM。将小瓶置于真空条件下，继续加热一小时，以除去残留的 DCM，得到澄清的橙色液晶混合物。接下来，开始准备 ITO 玻璃：裁剪一块 10 × 10 毫米、按所需形状刻有 ITO 图案的玻璃，以及一块 10 × 12 毫米的标准 ITO 玻璃。

将两片ITO玻璃放入稀释的表面活性剂中，确保它们不相互接触。在500毫升的玻璃容器中，混合60毫升碱性表面活性剂溶液和240毫升超纯水。将玻璃片在稀释的碱性表面活性剂中超声处理30分钟。

然后，倾去表面活性剂，并用200毫升超纯水冲洗平板。此冲洗步骤共进行三次。再向容器中重新加入300毫升超纯水。

将培养皿超声处理20分钟，然后倾去水。用超纯水以这种方式总共清洗三次。

最后，用氮气气流吹干洁净的载玻片，并将其存放于干净的一次性培养皿中，将培养皿置于干燥器内保存。开始制备电池时，将质量分数为0.7%的PEDOT硝基甲烷分散液超声处理60分钟，以确保聚合物充分分散。

然后，将洁净的标准 ITO 玻璃固定在旋涂仪上，并用氮气吹枪清除 ITO 涂层表面的灰尘。小心地将 50 微升新近超声处理过的 PEDOT 分散液滴加到 ITO 表面，并以 1000 转/分钟旋涂 60 秒。旋涂完成后，将样品在室温空气中静置 1 小时。

接下来，将带有图案的 ITO 玻璃片固定在配备人造丝布的摩擦机中。在氮气气流下，充分摩擦 ITO 图案表面。然后，在无尘环境中，将一滴光学胶与等量的 5 微米硼硅酸盐玻璃微珠混合。

将涂有PEDOT的平板正面朝上放置于工作台面上。在平板一侧窄边的每个角落各施加约0.2立方毫米的粘合剂混合物。在距离该侧边8毫米处再施加两处粘合剂，使粘合剂在平板上形成一个8毫米×10毫米的矩形区域。

将带有图案的ITO导电玻璃片倒置在粘合剂上，使其一端与PEDOT涂层玻璃片上的液滴部分对齐，使两片玻璃之间偏移约两毫米。轻轻按压器件的四个角，使两片玻璃之间形成均匀的间隙，当器件中的干涉条纹消失时即表示已达到均匀间隙。用365纳米紫外光照射器件20秒，以固化粘合剂。

将细胞置于加热板上，在 100 摄氏度下加热三小时，以完成胶粘剂的固化。最后，通过超声波焊接将带有鳄鱼夹的导线连接到每块板上暴露的 ITO 表面。使用绝缘胶带将玻璃池的导线固定在显微镜载玻片上，以便后续操作。

将 ITO 玻璃、小刮刀和胆甾相液晶混合物在 80 摄氏度下加热 10 至 15 分钟。然后，用加热的刮刀迅速将少量热的胆甾相液晶混合物转移至两片玻璃之间的间隙中。该细胞将在约 60 秒内通过毛细作用完成填充。

当细胞充满后，将载物台温度降至37摄氏度，并等待细胞在该温度下稳定。通过轻轻按压液晶装置的中心施加剪切力，以观察明亮的反射颜色。然后，将装置置于数字光学显微镜下的加热台上，使装置的图案面朝向物镜。

将已制备图案并涂覆PEDOT的两块板分别连接至恒电位仪的正极和负极。设置恒电位仪在1.5伏电压下持续4秒，随后在0伏电压下持续8秒，交替循环。在电压循环过程中，使用数字显微镜观察并记录液晶器件的颜色变化。

接下来，设置紫外-可见分光光度计，扫描范围为 800 至 300 纳米的透射率。在样品室中放置一个小支架以固定热台。将液晶器件置于加热板上保温，并对空置的热台采集背景测量值。

然后，将装置重新放回加热台上，并将其放入光谱仪中，使图案面朝向光束。使用深色布料遮盖样品室门与导线之间的缝隙。等待几分钟，使装置在37摄氏度下稳定。

如有必要，调整热台的位置以最大化透射率。然后，采集器件透射率的初始光谱。之后，对器件施加 1.5 伏电压持续四秒，并立即采集透射率光谱。

测量结束后，对器件施加 0 伏电压持续 8 秒，并采集另一组光谱。最后，在 1.5 伏电压下保持 4 秒、0 伏电压下保持 8 秒，循环 5 次，同时记录 510 纳米处透光率随时间的变化。掺杂了手性二茂铁联萘酚配合物的胆甾相液晶呈亮蓝色，其反射带中心位于 467 纳米。

在与液晶溶液接触的ITO电极上施加1.5伏电压，可使反射带中心波长移至485纳米。氧化态的胆甾相液晶呈现出明亮的青色至绿色，与未氧化的蓝色背景形成对比。当电极上施加0伏电压时，反射带恢复至467纳米，同时反射颜色相应恢复为蓝色。

由于取向无序性增加，经过多次循环后透射率略有下降，但通过向器件施加剪切力可修复这一现象。颜色从蓝色变为青色耗时0.4秒，恢复原色则耗时2.7秒。交替施加1.5伏电压0.5秒和0伏电压5秒，可实现电极的闪烁效果。

进行该操作时，请在组装电池时格外小心。电池的质量决定了设备显示图像的质量。您可以通过循环伏安法确定设备工作所需的合适电压范围。

X射线电子能谱可用于确认液晶材料中氧化部分的出现。通过精确调控氧化还原响应型手性掺杂剂及其他组分的化学结构，我们能够开发新型反射式显示技术，例如全彩电子纸。进一步研究本研究所用手性掺杂剂的作用机制，将有助于深化对胆甾相液晶的基础科学认知，其中手性诱导的分子机制目前尚不明确。