開創最新液晶調控技術 中山大學跨國研究登頂尖期刊

開創最新液晶調控技術 中山大學跨國研究登頂尖期刊
【大成報記者吉雄世╱高雄報導】國立中山大學光電工程學系特聘教授林宗賢、助理教授王俊達師生團隊與美國空軍研究實驗室首席科學家Timothy J. Bunning、賓州州立大學電機工程學系教授Iam Choon Khoo合作,歷時兩年多,創全球先例,開發Repetitively-Applied Field (RAF)技術,使藍相液晶從自然產生的立方晶格,重新轉換為新穎且穩定的非立方光子晶體,成果獲刊國際頂尖期刊《Nature Materials》,為光子晶體複雜的能隙控制開啟全新視野。

林宗賢特聘教授指出,液晶(Liquid crystal)在現代人們的生活中無所不見,從大型顯示器到個人隨身設備,包括汽車、辦公室、電腦到智慧型手機,其獨特的物理性質與光學特性,成為絕佳調控光電的材料。現今,人們正開發具有更佳性能的液晶材料,而具有光子晶體(Photonic crystals)特性的新興液晶更有巨大的應用潛力。「光子晶體不僅能讓光轉彎,還能讓動物展現美麗色彩!」林宗賢特聘教授解釋,像是蝴蝶翅膀、孔雀羽毛及甲蟲顏色等,都是來自排列整齊的週期性奈米結構;人造的光子晶體除了仿生的色彩多樣性外,也讓科學家開創出光積體電路、光子晶片、雷射等等應用領域,顯示出光子晶體的重要前景,「是未來世界不可或缺的尖端科技」。

王俊達教授指出,在顯示器應用上,液晶是一項控制光通過的技術,並不自發光。然而,當液晶形成光子晶體結構時,它的光子能隙能夠反射特定顏色的光,而如何準確地調控光子晶體的反射顏色則變得相當重要。「過去我們只能選擇控制光子晶體中的特定顏色,例如紅色或黃色,而且不是穩態。」透過這項最新技術,未來光子晶體中的紅橙黃綠藍等顏色都能調控,而且在沒有電場作用下也是非常穩定的,「想讓它停在哪就停在哪」。

研究團隊進一步說明,過去若要調控光子晶體的色彩,僅限能控制在奈米量級下,在實際應用上也遭遇相當大的阻礙,除了至少需要再提升到微米等級,對其施加電場也會產生許多不良影響,例如殘餘的折射率和無法被穩定的能隙控制等。中山大學團隊成功開發的RAF技術,讓立方晶格逐步轉換為非立方,達到現有技術無法達到的結果,讓能隙控制變化量是過往研究的兩倍,同時可以使厚度提升將近1千倍的立方晶格藍相液晶,均勻轉換成非立方晶體,並可透過摻雜聚合物來穩定不同結構,實現較寬的工作溫度和亞毫秒級的快速響應。團隊也針對不同狀態下的光子晶體做最佳化,顯示出重複施加場是調制非立方三維光子晶體藍相液晶通用的技術,讓量身訂製整個可見光範圍內的光子晶體更為容易實現,進而擴大藍相液晶應用於顯示、光積體電路、非線性光學、超快雷射及生物醫學等領域。

這次研究團隊成員還包括中山光電系博士後研究員趙宏昌、美國賓州州立大學電機工程學系博士生陳君維、中山光電系博士生郭端毅、李承璋、馮渟懋及碩士生林耕賢。

【附錄】

中山光電液晶實驗室由林宗賢特聘教授及王俊達助理教授主持,研究專注於一維光子晶體膽固醇型液晶(Cholesteric liquid crystals),與三維光子晶體藍相液晶(Blue-phase liquid crystals, BPLC)。團隊可以製作出所需的光子晶體特性,產生所謂的光子能隙(Photonic band gap)用來傳播、限制、調變電磁波,這種經過特殊設計的結構,可以輕易做到選擇性反射,應用於積體光路集成,或是無反光鏡雷射、控制脈衝雷射與介質的相互作用等等先進光子元件。

研究團隊繼2017年以製作出全球第一個超大尺寸單晶的藍相液晶,發表論文於《Nature Communication》後,今年再以突破性的研究:場致晶格重構(Reconfiguration of three-dimensional liquid-crystalline photonic crystals by electrostriction),獲國際頂尖學術期刊《Nature Materials》於2019年10月刊登論文。

期刊原文請見 https://www.nature.com/articles/s41563-019-0512-3

圖說1:中山光電液晶實驗室由林宗賢特聘教授(前排右)及王俊達助理教授(前排左)主持,師生跨國團隊開創最新液晶調控技術,成果獲刊國際頂尖期刊《Nature Materials》。

圖說2:中山大學跨國研究創全球先例,開發Repetitively-Applied Field (RAF)技術,為光子晶體複雜的能隙控制開啟全新視野。左起中山光電系博士後研究員趙宏昌、博士生郭端毅、助理教授王俊達、特聘教授林宗賢、碩士生林耕賢、博士生李承璋。

圖說3:研究團隊繼2017年以製作出全球第一個超大尺寸單晶的藍相液晶,發表論文於《Nature Communication》後,今年再以突破性的研究「場致晶格重構」,獲國際頂尖學術期刊《Nature Materials》。圖中人物為研究論文第一作者、中山大學光電系博士生郭端毅。

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