一種碳納米管光調制器及其制備和工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳納米管光調制器及其制備和工作方法。本發明通過一定含量的羧基化碳納米管與向列型液晶復合使無序聚集形成的碳納米管集群處于非約束狀態，然后給處于非約束狀態的碳納米管施加電場，非約束狀態下的碳納米管集群沿電場方向完成拉伸取向，然后在去除電場后，取向的碳納米管集群在液晶相作用下恢復原始取向狀態，在取向轉動過程中實現對光波狀態進行調控的目的。與現有光調制器相比，本發明的光調制器件具有無偏振依賴、電場響應效率高且制備流程簡單等優點并可大規模迅速實現。
【專利說明】
一種碳納米管光調制器及其制備和工作方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種新型碳基光調制器的制備，屬于光電顯示領域。
【背景技術】
[0002]碳納米管是單層或多層石墨片圍繞中心軸按照一定螺旋角卷曲而成的納米圓柱管，具有獨特的各向異性結構和優異的光學各向異性，在光調制器件中顯示出廣闊的應用前景。但CNT間由于存在強烈的31-31范德華力而容易發生團聚，從而極大削弱了其單向的各向異性能，進而限制了其在宏觀材料及器件中的大范圍應用。
[0003]在現有技術中，多采用機械拉伸方式作用于碳納米管充分分散的聚合物固態薄膜，可以使碳納米管沿特定方向進行宏觀取向，且取向后的碳納米管對光具有各向異性吸收特性，為光調制器的設計制備提供了重要物質基礎。而相關研究也顯示，電場下，碳納米管將會發生極化而沿電場方向取向，但取向含量和取向程度都受限于電場強度;另外，具有長程有序特性的向列型液晶，能對分散良好的少量碳納米管納米材料(含量小于0.05wt%),特別是高度取向的CNT材料進行動態定向有序排列而受到巨大關注。因此，在液晶相中結合電場作用對碳納米管進行取向，可以來設計制備新型光調制器并對光波狀態進行調制。但相關研究發現，由于碳納米管間存在強烈的J1-Ji范德華作用力，碳納米管的拉伸取向含量和取向程度強烈受限于施加電壓強度;而施加高強電壓容易使電流通過而導致器件損毀。
【發明內容】
[0004]本發明的發明目的在于提供一種利用電場拉伸取向碳納米管集群來調制光波狀態的無偏振依賴的光調制器及其制備和工作方法。
[0005]為實現上述發明目的，本發明所采取的技術方案是:
[0006]—種碳納米管光調制器，其由空白液晶盒和填充于其中的羧基化碳納米管復合材料組成，所述的空白液晶盒由兩個一面有ITO且經過摩擦取向處理的玻璃基板以ITO面按反平行于摩擦取向方向相對粘接而成，玻璃基板的ITO面上涂有用于向列型液晶水平取向的水平取向膜溶液;所述的羧基化納米管復合材料為羧基化碳納米管和向列型液晶的復合溶液，其中復合溶液中羧基化碳納米管的含量為0.1-0.25wt%。
[0007]—種碳納米管光調制器的制備方法，其制備步驟如下:
[0008](I)提供空白液晶盒，所述的空白液晶盒制備方法為:在一面有ITO的玻璃基板的ITO面上旋涂用于向列型液晶水平取向的水平取向膜溶液，烘干，將玻璃基板的ITO面通過摩擦機進行摩擦取向處理;按上述描述過程制備另一塊一面有ITO的玻璃基板；
[0009](2)按反平行于摩擦取向方向將兩個玻璃基板的ITO面相對粘接制成空白液晶盒，兩個玻璃基板之間預留有填充羧基化碳納米管復合材料的空間(Homegeous器件)；
[0010](3)將羧基化碳納米管復合材料灌注于空白液晶盒中，最后用膠封盒，得到光調制器；[0011 ]羧基化碳納米管復合材料是采用以下方法制備得到的:
[0012](a)將碳納米管用混酸氧化進行羧基化處理，得到羧基化碳納米管；
[0013](b)將步驟(a)中得到的羧基化碳納米管與商業化向列型液晶按質量比為0.001-
0.003:1的質量比復合，并超聲分散一段時間，離心取上層的碳納米管與液晶的復合溶液即得到碳納米管復合材料。
[0014]按上述方案，所述的羧基化處理為:在碳納米管在由濃硫酸和濃硝酸按體積比為3:1組成的混合酸中55-65°C下超聲反應6-8小時，然后將反應物過濾，去離子水清洗至中性，干燥，得到羧基化碳納米管材料。
[0015]按上述方案，所述的干燥為50_60°C下真空干燥。
[0016]按上述方案，所述步驟(b)中的超聲分散時間為20-30min;所述的離心為500-600rpm離心10_20min。
[0017]按上述方案，所述碳納米管復合材料中羧基化碳納米管的質量分數為0.lwt%-
0.25wt% ο
[0018]按上述方案，步驟(2)中將隔墊物聚合物膠帶粘貼于經過步驟(I)處理的玻璃基板邊緣上，按反平行于摩擦取向方向將兩個玻璃基板的ITO面相對粘接粘接制作空白液晶盒。
[0019]按上述方案，所述的隔墊物為聚丙烯雙面膠。
[°02°] 按上述方案，所述的水平取向膜溶液可以為SE_6514，Nissan Chemicals公司生產。
[0021 ]按上述方案，所述的加熱烘干溫度為200-220 °C。
[0022]碳納米管光調制器的工作方法:先對光調制器沿垂直ITO的方向施加電場，非約束狀態下的碳納米管集群沿電場方向完成拉伸取向；對碳納米管羧基化可以使其間產生靜電斥力效應，有助于削弱碳納米管間相互作用，進而提高碳納米管在液晶介質中的分散性和電致取向效率(降低取向電壓)；
[0023]移除電場后，電致取向的碳納米管集群在水平摩擦取向的液晶相作用下，使沿電場方向取向的碳納米管集群轉動為沿水平方向取向；由此，碳納米管光調制器可以在電場和液晶相的共同作用下，在垂直與水平方向上進行動態調控，從而最終實現對光波強度的動態調控。調制機理見圖8。
[0024]按上述方案，上述施加的電場的電場強度和頻率分別為1.0-1.5VrmsAim和60-200Hz ο
[0025]本發明通過一定含量的羧基化碳納米管與向列型液晶復合使無序聚集形成的碳納米管集群處于非約束狀態，然后給處于非約束狀態的碳納米管施加電場，非約束狀態下的碳納米管集群沿電場方向完成拉伸取向，然后在去除電場后，取向的碳納米管集群在液晶相作用下恢復原始取向狀態，在取向轉動過程中實現對光波狀態進行調控的目的。施加垂直電場后，復合材料將沿電場方向進行取向，這時底部可見光可以透過垂直取向的碳納米管使器件顯示白色;移除電場后，受基板的描定力作用，取向的復合材料在彈性扭轉力作用下從垂直取向方向轉動為沿水平摩擦方向取向，這時底部可見光被取向碳納米管選擇性吸收而使器件顯示黑色。由此通過電場和液晶相使取向碳納米管集群在取向轉動過程中實現對光波狀態的調控。
[0026]本發明的效果和優點:
[0027]1.通過對碳納米管進行羧基化，不僅提高了碳納米管在液晶介質中的分散含量，而且對碳納米管進行羧基化可使其間產生靜電斥力效應，有助于削弱碳納米管間相互作用，進而提高碳納米管在液晶介質中的分散性和電致取向效率(降低取向電壓)，明顯降低了碳納米管集群拉伸取向電壓，并克服了液晶相不能有序取向碳納米管集群的難題。
[0028]2.該光調制器件利用碳納米管對光波的各向異吸收性能，巧妙通過復合材料對電場或液晶相的良好響應能力，成功實現了動態調控取向碳納米管集群的取向方向，在光調制器應用中具有重要的實際應用價值。與現有光調制器相比，本發明的光調制器件具有無偏振依賴、電場響應效率高且制備流程簡單等優點并可大規模迅速實現。
[0029]3.該復合材料以及器件結構的設計制備方法簡單，無復雜有機合成和純化分離過程;光調制過程易于可逆控制，符合實際應用需要。同時，該方法不使用任何有機物質作為溶劑，無論從經濟的角度還是環境的角度評價該方法，都具有非常明顯的優勢。
【附圖說明】
[0030]圖1是碳納米管的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖中可以清楚的看出酸氧化處理將長度為微米級的碳納米管成功的剪切為200-300nm的短程碳納米管。
[0031]圖2是碳納米管的紅外(FT-1R)和拉曼(Raman)譜圖。紅外圖中可以清楚看出在1737.5cm—1出現了羧基中C = O鍵的特征吸收峰。從拉曼圖可以得知酸氧化處理后，羧基碳納米管的D/G比值明顯高于酸氧化處理前的碳納米管D/G比值，表明無序程度和短尺寸效應增加。(a)紅外譜圖；(b)拉曼譜圖。
[0032]圖3是液晶介質中羧基化碳納米管集群的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖中可以清楚的看出酸氧化后，碳納米管可以單分散在液晶介質中間，表明碳納米管間相互作用在一定程度上存在減弱。
[0033]圖4是實施例3中單個碳納米管集群的電致拉伸取向特性的光學微觀(OM)圖像。(a:無羧基化碳納米管;b:羧基化碳納米管)圖中可以看出在不同電場頻率下羧基化碳納米管集群比無羧基化碳納米管集群的拉伸取向程度要高，再次表明碳納米管間相互作用可以通過羧基化而減弱。
[0034]圖5是光調制器VAl中碳納米管集群動態取向特性的(OM)圖像。(a:無電場時;b:施加頻率為60Hz電場強度為I Vrms/μπι ;c:移除電場)。圖中可以看出在碳納米管濃度較高時，集群聚集程度高，當施加電場后，碳納米管集群可以在宏觀狀態下沿電場方向進行垂直取向，而當移除電場后，拉伸取向碳納米管的可以在液晶相的彈性耦合作用下重新沿水平方向取向。
[0035]圖6是光調制器VA2中碳納米管集群動態取向特性的(OM)圖像。(a:無電場時;b:施加頻率為60Hz電場強度為I Vrms/μπι ;c:移除電場)。圖中可以看出在碳納米管濃度較低時，集群聚集程度低，當施加電場后，碳納米管集群可以在宏觀狀態下沿電場方向進行垂直取向，而當移除電場后，拉伸取向碳納米管的可以在液晶相的彈性耦合作用下重新沿水平方向取向。
[0036]圖7是光調制器VAl的紫外可見光透過(UV-Vis)圖譜。圖中(a)初始狀態；(b)施加電場；(C)移除電場；圖中清晰表明在電場和液晶相的綜合作用下，利用不同宏觀取向狀態的碳納米管可以對光波進行有效的可逆調制。
[0037]圖8為本發明碳納米管光調制器的調制機理示意圖。
【具體實施方式】
[0038]以下結合附圖和實施例進一步對本發明進行說明。
[0039]實施例1
[0040](I)羧基化碳納米管的合成:稱取Ig的碳納米管固體，并量取80mL的混酸(濃硫酸和濃硝酸體積比例為3:1)在磁力攪拌下依次緩慢加入250mL的燒瓶中混合均勻。在60°C下超聲反應6小時。反應產物經0.22μπι聚四氟乙烯濾膜過濾，去離子水清洗至PH=7，將上述反應物放入真空烘箱中在60°C下干燥12hr，得到羧基化碳納米管材料。混合酸氧化處理前后的碳納米管的SEM圖分別見圖1(a)和(b)。圖中可以清楚的看出酸氧化處理將長度為微米級的碳納米管成功的剪切為200-300nm的短程碳納米管。
[0041]酸氧化處理前后的碳納米管的紅外(FT-1R)和拉曼(Raman)譜圖分別見圖2(a)和
(b)。紅外圖中可以清楚看出在1737.5cm—1出現了羧基中C = O鍵的特征吸收峰。從拉曼圖可以得知酸氧化處理后，羧基碳納米管的D/G比值明顯高于酸氧化處理前的碳納米管D/G比值，表明無序程度和短尺寸效應增加。
[0042](2)碳納米管復合材料的合成:將步驟(I)中得到的1-1.5mg羧基化碳納米管與Ig商業化向列型液晶復合，超聲分散20-30min，在500-600rpm離心10-20min取上層液得到羧基化碳納米管質量分數為0.1wt%的碳納米管復合材料。
[0043]液晶介質中羧基化碳納米管集群的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像見圖3。圖3中可以清楚的看出酸氧化處理后，碳納米管可以單分散在液晶介質中間，表明碳納米管間相互作用在一定程度上存在減弱。
[0044](3)光調制器組裝:在一面有ITO電極的玻璃基板(4cmX4cm)上的ITO面旋涂水平取向膜溶液(SE-6514,Nissan Chemicals)，并置于加熱板上于200°C下烘制完全去除溶劑。對玻璃基板的ITO面通過摩擦機進行摩擦取向。按上述過程描述制備另一塊玻璃基板。將膜厚約為55?65μπι的隔墊物聚合物雙面膠粘貼于上述經過處理的玻璃基板的邊緣上，按反平行于摩擦取向方向將兩個玻璃基板的ITO面相對粘接制成間距為60μπι的空白液晶盒(HomegeOUs器件)。板間距離d的測試:通過阻抗分析儀LCR meter 4284A( Agi lentTechnologies ,Santa Clara，CA，USA)測試空白液晶盒和填充甲苯溶劑的電容-頻率(Capatance-Ferequency)曲線，按照公式d = 8.85 X 10—12 X 16 X 10—6( ε-1)/(ci_c2)計算板間距離cL(d為板間距離；16X10—6為板間ITO正對面積;8.85X 10—12為真空絕對介電常數；ε為甲苯的介電常數;CjPc2分別是空氣和甲苯在IKHz時的電容值)。測得板間距為60μπι。
[0045]將上述所制的含有0.1 % (質量分數)羧基化碳納米管的復合材料在室溫下灌注于上述空白光調制器中，最后用環氧樹脂B膠封盒。得到光調制器VA，稱為光調制器VA1。
[0046](3)光電性能測試:在室溫條件下，對所得到的光調制器VAl沿垂直于玻璃基板ITO的方向施加頻率為60Hz，電場強度為lVrms/μπι的交流電壓，并分別使用日本公司生產的光學顯微鏡(Nikon DXM1200)和美國公司生產的美國安捷倫公司紫外-可見-近紅外光譜儀(Cary-5000)對光調制器可見光吸收性能進行測試。
[0047]光調制器VAl中碳納米管集群動態取向特性的(OM)圖像見圖5。圖中:a:無電場時；b:施加頻率為60Hz，電場強度為IVrms/μπι的電場;c:移除電場)。圖中可以看出在碳納米管濃度較低時，集群聚集程度低，當施加電場后，碳納米管集群可以在宏觀狀態下沿電場方向進行垂直取向，而當移除電場后，拉伸取向碳納米管的可以在液晶相的彈性耦合作用下重新沿水平方向取向。
[0048]光調制器VAl的紫外可見光透過(UV-Vis)圖譜見圖7。圖中清晰表明在電場和液晶相的綜合作用下，利用不同宏觀取向狀態的碳納米管可以對光波進行有效的可逆調制。
[0049]實施例2
[0050](I)羧基化碳納米管的合成:合成步驟與實施例1相同。
[0051 ] (2)碳納米管復合材料的合成:將步驟(I)中得到的2_3mg羧基化碳納米管與Ig商業化向列型液晶復合，超聲分散20-30min，在500-600rpm離心10-20min取上層液得到羧基化碳納米管質量分數為0.25wt %的碳納米管復合材料。
[0052](3)光調制器組裝:在一面有ITO電極的玻璃基板(4cmX4cm)上的ITO面旋涂水平取向膜溶液(SE-6514,Nissan Chemicals)，并置于加熱板上于220°C下烘制完全去除溶劑。對玻璃基板的ITO面通過摩擦機進行摩擦取向。按上述過程描述制備另一塊玻璃基板。將膜厚約為55?65μπι的聚丙烯雙面膠粘貼于上述處理的玻璃基板邊緣上，按反平行于摩擦取向方向將上述兩塊玻璃基板的摩擦面-摩擦面粘接制作上下玻璃基板間距為60μπι的空白光調制器(Homegeous器件)。板間距離d的測試:通過阻抗分析儀LCR meter 4284A(AgilentTechnologies ,Santa Clara，CA，USA)測試空白液晶盒和填充甲苯溶劑的電容-頻率(Capatance-Ferequency)曲線按照公式d = 8.85 X 10—12 X16X10—6(e-l)/(ci_C2)計算。(d為板間距離；16X 10—6為板間ITO正對面積;8.85X 10—12為真空絕對介電常數；ε為甲苯的介電常數;以和(:2分別是空氣和甲苯在IKHz時的電容值)。測得板間距為60μπι。將上述所制的含有0.25% (質量分數)羧基化碳納米管的復合材料在室溫下灌注于上述空白光調制器中，最后用環氧樹脂B膠封盒。得到光調制器，稱為光調制器VA2。
[0053](3)取向特性觀察:在室溫條件下，對所得到的光調制器VA2沿垂直于玻璃基板ITO的方向施加頻率為60Hz交流電壓(lVrms/μπι)，并分別使用日本公司生產的光學顯微鏡(Nikon DXM1200)對光調制器可見光吸收性能進行測試。同實施例1。
[0054]光調制器VA2中碳納米管集群動態取向特性的(OM)圖像見圖6。圖中:a:無電場時；b:施加頻率為60Hz，電場強度為lVrms/μπι的電場;c:移除電場。圖中可以看出在碳納米管濃度較高時，集群聚集程度高，當施加電場后，碳納米管集群可以在宏觀狀態下沿電場方向進行垂直取向，而當移除電場后，拉伸取向碳納米管的可以在液晶相的彈性耦合作用下重新沿水平方向取向。
[0055]實施例3
[0056](I)羧基化碳納米管的合成:合成步驟與實施例1相同。
[0057](2)碳納米管復合材料的合成:同實施例2。
[0058](3)光調制器組裝:在一面有梳狀交叉ITO電極(電極間距40μπι)的玻璃基板(4cmX4cm)上旋涂水平取向膜溶液(SE-6514,Nissan Chemicals)，并置于加熱板上于200°C下烘制完全去除溶劑。對玻璃基板的ITO面通過摩擦機進行摩擦取向。按上述過程描述制備另一塊無ITO電極的玻璃基板。將膜厚約為55?65μπι的隔墊物雙面膠粘貼于上述處理的玻璃基板邊緣上，按反平行于摩擦取向方向將上述兩塊玻璃基板的摩擦面-摩擦面粘接制作上下玻璃基板間距為60μπι的空白光調制器(Homegeous器件)。板間距離的測試:通過阻抗分析儀LCR meter 4284A(Agilent Technologies ,Santa Clara,CA,USA)測試空白液晶盒和填充甲苯溶劑的電容-頻率(Capatance-Ferequency)曲線，按照公式d = 8.85 X 10—12 X 16 X 10-6(e-l)/(C1-C2)計算。(d為板間距離；16X10—6為板間ITO正對面積;8.85X10—12為真空絕對介電常數；ε為甲苯的介電常數;cdPc2分別是空氣和甲苯在IKHz時的電容值)。測得板間距為60μπι(IPS器件)。將上述所制的含有0.25% (質量分數)羧基化碳納米管的復合材料在室溫下灌注于上述空白光調制器中，最后用環氧樹脂B膠封盒。得到光調制器IPS，稱為光調制器IPS。組裝過程同實施例2相比，僅電極結構不同，該實例中電場為水平方向。此實施例主要是為了更好地觀察宏觀狀態中單個碳納米管集群在電場下的拉伸取向現象。
[0059](4)取向特性觀察:在室溫條件下，對所得到的光調制器IPS施加不同頻率的交流電壓(電壓強度:lVrms/μπι;頻率范圍:20Ηζ-1ΚΗζ)，并使用日本公司生產的光學顯微鏡(Nikon DXMl200)對光調制器IPS中碳納米管取向特性進行測試。
[0060]施加電場時單個碳納米管集群的電致拉伸取向特性的光學微觀(OM)圖像見圖4，圖中(a:無羧基化碳納米管;b:羧基化碳納米管)，圖中可以看出:在同樣電場強度下，在不同電場頻率(20Hz-200Hz)下羧基化碳納米管拉伸取向長度明顯高于未羧基化碳納米管，羧基化碳納米管集群比無羧基化碳納米管集群的拉伸取向程度要高，這也充分表明碳納米管間相互作用可以通過羧基化而減弱。
【主權項】
1.一種碳納米管光調制器，其特征在于:其由空白液晶盒和填充于其中的羧基化碳納米管復合材料組成，所述的空白液晶盒由兩個一面有ITO且經過摩擦取向處理的玻璃基板以ITO面按反平行于摩擦取向方向相對粘接而成，玻璃基板的ITO面上涂有用于向列型液晶水平取向的水平取向膜溶液;所述的羧基化納米管復合材料為羧基化碳納米管和向列型液晶的復合溶液，其中復合溶液中羧基化碳納米管的含量為0.1-0.25wt%。2.—種碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:制備步驟如下: (1)提供空白液晶盒，所述的空白液晶盒制備方法為:在一面有ITO的玻璃基板的ITO面上旋涂用于向列型液晶水平取向的水平取向膜溶液，烘干，將玻璃基板的ITO面通過摩擦機進行摩擦取向處理;按上述描述過程制備另一塊一面有ITO的玻璃基板； (2)按反平行于摩擦取向方向將兩個玻璃基板的ITO面相對粘接制成空白液晶盒，兩個玻璃基板之間預留有填充羧基化碳納米管復合材料的空間； (3)將羧基化碳納米管復合材料灌注于空白液晶盒中，最后用膠封盒，得到光調制器； 羧基化碳納米管復合材料是采用以下方法制備得到的: (a)將碳納米管用混酸氧化進行羧基化處理，得到羧基化碳納米管； (b)將步驟(a)中得到的羧基化碳納米管與商業化向列型液晶按質量比為0.001-0.003:1的質量比復合，并超聲分散一段時間，離心取上層的碳納米管與液晶的復合溶液即得到碳納米管復合材料。3.根據權利要求1所述的碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:所述的羧基化處理為:在碳納米管在由濃硫酸和濃硝酸按體積比為3:1組成的混合酸中55-65°C下超聲反應6-8小時，然后將反應物過濾，去離子水清洗至中性，干燥，得到羧基化碳納米管材料。4.根據權利要求1所述的碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:所述的羧基化處理為:所述步驟(b)中的超聲分散時間為20_30min;所述的離心為500_600rpm離心lOmin。5.根據權利要求1所述的碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:所述的羧基化處理為:所述碳納米管復合材料中羧基化碳納米管的質量分數為0.1wt % -0.25wt %。6.根據權利要求1所述的碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:所述的羧基化處理為:步驟(2)中將隔墊物聚合物膠帶粘貼于經過步驟(I)處理的玻璃基板邊緣上，按反平行于摩擦取向方向將兩個玻璃基板的ITO面相對粘接粘接制作空白液晶盒。7.根據權利要求1所述的碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:所述的羧基化處理為:所述的隔墊物為聚丙烯雙面膠。8.根據權利要求1所述的碳納米管光調制器的制備方法，其特征在于:所述步驟3中的水平取向膜溶液可以是SE-6514，Nissan Chemicals。9.權利要求1所述的碳納米管光調制器的工作方法，其特征在于:先對光調制器沿垂直ITO的方向施加電場，非約束狀態下的碳納米管集群沿電場方向完成拉伸取向；移除電場后，電致取向的碳納米管集群在水平摩擦取向的液晶相作用下，使沿電場方向取向的碳納米管集群轉動為沿水平方向取向；由此，碳納米管光調制器可以在電場和液晶相的共同作用下，在垂直與水平方向上進行動態調控，從而最終實現對光波強度的動態調控。10.根據權利要求9所述碳納米管光調制器的工作方法，其特征在于:上述施加的電場的電場強度和頻率分別為1.0-1.5VrmsA?ii和60-200Hz。
【文檔編號】G02F1/1337GK105929603SQ201610365358
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】鐵偉偉, 李升熙, 李永熙, 鄭直, 高遠浩, 何偉偉, 黃保軍
【申請人】許昌學院