撰稿|课题组供稿
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软物质。利用液晶取向纳米材料已经吸引了许多研究学者的兴趣，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可应用在偏振、电开关、液晶显示器和智能窗等器件中。然而，取向的纳米材料其尺寸和长径比均较小且取向方向单一，利用液晶分子实现大尺寸纳米材料的微区多畴取向具有一定的挑战。
近日，由上海理工大学庄松林院士、郑继红教授领导的液晶研究小组与东华大学孙嘉曈副教授课题组和香港科技大学Kristiaan Neyts教授课题组利用液晶载体将大尺寸的银纳米线自组装在微区中，实现了银纳米线的微区多畴高度取向。该工作以“Precise Self-Assembly of Large Colloidal Silver Nanowires in a Nematic Liquid Crystal Host with Long-Range Order”为题发表在《ACS Photonics》期刊（DOI：10.1021/acsphotonics.4c00564），并被期刊选为封面。文章第一作者为上海理工大学光电信息与计算机工程学院桑景新老师，通讯作者为郑继红教授、孙嘉曈副教授和Kristiaan Neyts教授。同时，Brecht Berteloot、李唐吾、陈芳芳、Nithin Jacob和刘孙倩同学对本工作有突出贡献。
银纳米线与液晶5CB之间的相互作用为纳米线的取向提供了重要作用力，如图1所示。实验发现，银纳米线的长轴垂直于液晶5CB的指向矢，这和课题组之前报道的液晶E7正好相反（ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 11016-11023；Adv. Optical Mater. 2022, 10, 2200950）。在正交偏光显微镜下发现，该样品为一个均一的黑色图像，表明银纳米线不会扰乱液晶分子的取向。通过二维序参数的统计，得出纳米线的二维取向度高达0.94。相比于之前报道的液晶取向的纳米材料，本次工作中的纳米线具有更大的长度、直径和长径比。
图1（a-c）银纳米线和液晶5CB之间关系示意图，纳米线长轴垂直于液晶指向矢；（d-h）自组装银纳米线的偏光显微镜图像；（i）液晶自组装小尺寸纳米材料的前期研究。
光取向层（SD1或BY）敏感于偏振紫外光，通过改变偏振光的偏振方向可以获得多畴区域的取向层，从而获得液晶分子的多畴取向。图2a为利用空间光调制器制备的微区光路图，利用该光路可实现液晶不同取向的微观区域（图2b）。微观区域中所对应的银纳米线垂直于液晶的指向矢，表明了纳米线可通过液晶实现微观多畴区域的取向，如图2c-k。
图2（a）液晶微观多畴取向制备光路图；（b）液晶微观多畴取向示意图；（c-k）不同微观取向的液晶及其银纳米线的示意图与偏光显微镜图。
为了评估银纳米线自组装在液晶器件的电光特性，对扭曲向列相液晶器件进行了测试。随着外加电压的增加，液晶指向矢和银纳米线的方向开始随着电压的变化而变化（图3a）。对于自组装银纳米线的器件，在较低的电压下液晶指向矢的变化更快，这是因为银纳米线中的电荷传输导致局部场效应的增强，加剧了液晶的旋转（图3b）。然而，随着施加电压增加(高于3v)，银纳米线将减低液晶的旋转，这可能是由于银纳米线的尺寸较大，影响了周围液晶的变化。由于银纳米线的导电性及中和上下基底的电荷，将降低液晶器件的响应时间（图3c-d）。
图3（a）电场调控液晶与银纳米线示意图；（b）液晶器件的透过率-电压变化关系图；（c-d）液晶器件的响应时间图。
该工作探究了大尺寸银纳米线在液晶中的分散、自组装以及对液晶器件电光性能的影响。纳米线的长轴垂直于液晶5CB的指向矢，其序参数高达0.94，实现了银纳米线的高度取向。利用光取向层和空间光调制器，实现了银纳米线的微区多畴自组装。自组装的纳米线增加了上下基底的电导率并有效改善了液晶器件的响应时间。该工作为液晶取向其他大尺寸纳米材料和制备新型的光电器件提供了一定的参考价值。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c00564
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