北京大学材料学院张艳锋课题组与合作者在基于石墨烯/胆甾相液晶的光色彩管理器件研究方面取得重要进展
2024/04/01
568光的色彩管理广泛存在于投影与显示技术、照明工程、图像传感和摄影等领域。彩色滤光片是实现这一功能的重要光学元件，它通过各种光与物质的相互作用（如染料对特定波段光的选择性吸收，各种超结构对特定波段光的选择性反射和散射，以及高光学各向异性材料的双折射等），来改变光源（入射光）的光谱功率分布，从而调节透射光的色彩。近年来，随着人们对相关光学器件或仪器的结构紧凑度和多功能化要求与日俱增，亟需发展能够在较宽色域内对光色彩进行多维度调节（明度、色相和饱和度）的动态调光器件。
近期，北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范院士、北京大学材料科学与工程学院张艳锋教授课题组和北京大学材料科学与工程学院杨槐教授课题组密切合作，采用石墨烯/玻璃复合材料作为透明加热板和中性光衰减材料，温度响应型胆甾相液晶（ChLC）小分子作为中性光衰减材料和滤光材料，构筑了一种全新的电驱动型热致变色动态调光器件。通过调节施加的加热电压大小，入射光的偏振状态和石墨烯薄膜的层厚，利用该器件分别实现了透射光色彩的色相、饱和度和明度属性在宽色域内的调控。此外，还分别发展了该器件作为可变色智能窗在调节透射光色彩中的应用，以及作为可变色彩色滤光镜在摄影中的应用。
相关工作以“Graphene/Cholesteric-Liquid-Crystal Based Electro-Driven Thermochromic Light Modulators toward Wide-Gamut Dynamic Light Color-Tuning-Related Applications”为题发表在Nano Letters上（Nano Lett.2023, 23, 10, 4617–4626）。
该研究采用水辅助常压化学气相沉积（APCVD）法制备了高透明、高导电的石墨烯/玻璃复合材料（图1）。引入的微量水蒸气（体积分数~0.1%）在高温下热裂解产生的活性物种（如H、O和OH等自由基），可以刻蚀新形成的石墨烯核、表面吸附的碳物种和多层岛结构，有效降低了成核密度，扩大畴区尺寸并提升石墨烯薄膜的层厚均匀性。采用该方法获得的石墨烯薄膜畴区尺寸可超过200nm，层厚以2—3层为主；对应的石墨烯/玻璃复合材料（3cm×6cm）具有较高透明性（透过率为~89.4%）、导电性（面电阻为~835Ω·sq–1）和良好的均匀性。
与市售的用于液晶显示屏的铟锡氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）薄膜相比，该石墨烯薄膜具有更高的光学中性度，因而造成的入射光与透射光色彩之间的色度差异更小。同时，石墨烯薄膜的面电阻比ITO薄膜高约一个数量级，这使得对于特定的加热温度范围，石墨烯薄膜可提供约三倍于ITO薄膜的工作电压范围，因而更有助于精细调控温度响应型ChLC的热致变色行为。
图1 高透明、高导电石墨烯薄膜在石英玻璃基底上的水辅助APCVD生长。
采用石墨烯/玻璃复合材料作为透明电加热板，将其制成液晶盒，在其两端刷涂银电极并灌入液晶样品，即可获得热致变色动态调光器件（图2a）。液晶与盒内壁间相对运动时产生的摩擦剪切力使液晶单元呈平面状排列，液晶样品中的手性掺杂剂（左旋或右旋）则进一步诱导液晶单元绕z轴（厚度方向）旋转，形成独特的螺旋扭转超结构（左旋或右旋）。这种独特的超结构使ChLC可选择性地反射特定波段内（Bragg反射带）与之具有相同手性的圆偏振光，从而产生生动的结构色。
随着温度的升高，ChLC的螺距（液晶单元绕z轴旋转360°对应的z方向距离）逐渐减小，导致反射带的蓝移（图2b）。当器件的温度由~45℃升至~82℃（图2d），或在器件两端施加的加热电压由~30V增至~50.5V时（图2e），器件反射色（ChLC的结构色）的色相发生由红到橙、黄、绿、青，再到蓝的转变。作为反射色的互补色，透射光色彩的色相在该过程中也相应发生连续变化。
图2 基于石墨烯/ChLC的热致变色动态调光器件构筑及其热致变色性能研究。
为探究器件对透射光色彩的调控能力，该研究表征了器件在不同加热电压、入射光偏振状态及入射角度下的透射光谱，并对光谱数据进行了色度学分析。
在非偏振或线偏振入射光下，当加热电压由~22V增加至~62V时，器件透射光谱中的Bragg反射带中心波长由~668nm蓝移至~458nm，带内的透过率约为带外的一半（图3a，b）；透射光色彩发生由青蓝色、蓝色、紫色、紫粉色、粉色、黄粉色再到橙黄色的色相变化（图3e）。当入射光为左旋圆偏振光时，随着加热电压的增加，透射光谱中的反射带也发生了类似的蓝移，而带内的透过率则接近0（图3c）；透射光色彩也相应发生色相改变，但具有更高的饱和度（图3e）。当入射光为右旋圆偏振光时，在各加热电压下，器件对各波长的可见光均表现出较高且相近的透过率（图3d）；透射光色彩均接近中性色（黑、灰、白），具有极低的饱和度（图3e）。由此可见，通过调节在器件两端施加的加热电压和入射光偏振状态，可分别实现对透射光色相和饱和度属性的有效调控。此外，随着入射角度的增加（0—60°），器件透射光谱的反射带也会发生一定的蓝移（图3f，g）。
图3 基于石墨烯/ChLC的动态调光器件在不同加热电压、入射光偏振状态及入射角度下的透射光谱性质（380—800nm）
在较宽色域内对透射光色彩的动态调控能力使这种新型的动态调光器件有望被用于高性能的可变色智能窗，以调节背景光的色彩。光源发出的光经过特定的偏振片起偏后再透过智能窗，即可形成具有特定色彩的背景光（透射光）（图4a）。通过调节智能窗两端施加的加热电压大小和选用不同的偏振片（线偏振片、左旋圆偏振片和右旋圆偏振片），分别实现了背景光色彩的色相和饱和度属性的有效调控（图4b）。
此外，该研究还构筑了基于该动态调光器件的可变色彩色滤镜，用于在摄影中获得具有不同色彩风格的照片（图4c）。通过调节施加于滤镜两端的加热电压大小，选用不同的偏振片和调节石墨烯薄膜的层厚，分别实现了照片背景色的色相、饱和度和明度属性的有效调控（图4d—f）。
图4 基于石墨烯/ChLC的动态调光器件在可变色智能窗和彩色滤镜中的应用
这一研究成果为功能集成、结构紧凑和小微型化的新一代滤光器件的开发提供了新范式，并将推动它们在新概念显示器件、可变色光源和多功能智能窗等领域中的实际应用。
张艳锋课题组的博士生周帆和杨槐教授课题组博士后兰若尘为论文的并列第一作者，刘忠范、张艳锋、杨槐为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（T2188101、51925201、52202081和52021006）、北京市自然科学基金（2214085）、北京市科学技术委员会项目（Z201100008720001）以及中国博士后科学基金（8206200053）的支持。
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