ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА ПОЛИИМИД-КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ РЯДА CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS ДЛЯ ДИСПЛЕЙНОЙ, ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LIQUID-CRYSTAL SPACE-TIME MODULATOR OF LIGHT BASED ON COMPLEX OF POLYIMIDE-QUANTUM POINTS OF ROW CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS FOR DISPLAY, TELEVISION EQUIPMENT AND SYSTEMS OF LASER RADIATION SWITCHING

Настоящее изобретение относится к материаловедческой части Критического направления РФ «Наноматериалы и нанотехнологии», может быть использовано в области микро- и наноэлектроники, для переключения лазерного излучения разного диапазона спектра, для оптимизации дисплейных элементов и приборов биомедицинской техники. Устройство - модулятор - представляет собой многослойную сэндвич-структуру, состоящую из пленки электрооптического нематического жидкого кристалла (НЖК), сенсибилизированного фоточувствительным комплексом с переносом заряда на основе систем: фоточувствительная структура полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS. Для ориентации молекул ЖК используется ориентирующее покрытие на основе пленок нефоточувствительного полиимида. При функционировании данного устройства предлагается использовать импульсный режим питания и постоянный или импульсный режим засветки. Технический результат - получение высокого быстродействия при смене типа сенсибилизирующей добавки и существенном сокращении концентрации сенсибилизирующей добавки, а также расширение спектрального диапазона за счет варьирования полос люминесценции вводимых квантовых точек, составляющих фрагмент комплекса с переносом заряда на основе полиимида с квантовыми точками.
Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС) для систем переключения потоков излучения, для дисплейной, телевизионной и биомедицинской техники.
Модулятор является ключевым элементом схем регистрации, отображения, считывания, переключения оптической информации, выполняющих операции в реальном масштабе времени [1]. В нем происходит перераспределение потоков излучения за счет изменения двулучепреломления ЖК, вызванного изменением ориентации жидкокристаллических молекул на границе раздела: ориентирующая пленка-сенсибилизированный ЖК-слой при включении электрического или светового поля. Характеристики ЖК-ПВМС определяются не только геометрическими параметрами и схемным решением управляемых конструкций, но и спектральными и динамическими параметрами сенсибилизированного ЖК-слоя, согласованием показателей преломления ЖК и сенсибилизирующей компоненты, типом электрооптического эффекта в ЖК и природой ориентирующего покрытия.
Известна конструкция электроуправляемого нематического ЖК-ПВМС, выбранная в качестве аналога [2], содержащего электрооптическую компоненту на основе полимер-диспергированного ЖК, сенсибилизированного смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен и нефоточувствительный полиимид в качестве ориентирующего слоя.
Среди широкого класса электро- и светоуправляемых ЖК-ПВМС полимер-диспергированные жидкокристаллические (ПДЖК) модуляторы занимают особое место. Здесь важной особенностью ЖК является наличие слабых дисперсионных сил между молекулами и высокая ориентирующая способность, которая используется при создании композитных материалов. С одной стороны, ЖК, ориентируя взвешенные в них частицы, в том числе вводимые анизотропные комплексы с переносом заряда, например, на основе системы: внутримолекулярный донор - межмолекулярный акцептор (фуллерен, нанотрубка, нановолокно, квантовая точка), действуют как молекулярные матрицы, легко управляемые внешним полем. С другой стороны, частицы становятся чувствительными к действию внешнего поля, в результате меняется ориентация самой жидкокристаллической матрицы. Внешние поля действуют как на объем ЖК, так и на ориентирующую его поверхность (а следовательно, и на близлежащие молекулы ЖК). Таким образом, электрическое или световое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через среду электрический ток способны переориентировать молекулы ЖК. Кроме того, полимер-диспергированные ЖК-ПВМС уникальны по причине возможности сочетания в одном слое параметров электрооптической ЖК-компоненты и фоточувствительности, пластичности полимерной основы [3].
Однако быстродействие нематических ПДЖК хуже, чем, например, смектических ЖК. Стоит заметить, что смектические ЖК являются многокомпонентными смесями, что определяет их высокую стоимость и ограничивает применение, поэтому существует проблема замены дорогостоящих смектиков дешевыми нематиками.
Недостатком известной конструкции модулятора является низкое быстродействие.
Известная разработка ПДЖК-модулятора на основе полимер-диспергированного ЖК, сенсибилизированного смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен имеет следующее быстродействие: 5 мс при включении электрооптического отклика и 10 мс при выключении (релаксации системы в исходное состояние) при условии работы прибора в импульсном режиме питания при постоянной засветке излучением He-Ne-лазера. На том же устройстве, оптимизируя амплитуду импульса питания, авторы публикации [2] получили быстродействие 3.5 мс по включению и 4-5 мс по выключению.
70
60
Известна конструкция ПДЖК-модулятора, выбранная в качестве прототипа, содержащего в качестве электрооптического слоя полимер-диспергированный нематический ЖК, сенсибилизированный смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен и в качестве ориентирующего слоя - нефоточувствительный полиимид [4]. Устройство работало в режиме постоянной засветки при импульсном напряжении питания и показало быстродействие: 2.5 мс - время включения и 4 мс - время выключения. Некоторое снижение времен переключения было связано с преимущественным использованием анизотропных молекул фуллеренов С, а не С. В эксперименте авторов публикации [4] исследовались времена нарастания электрооптического отклика по первой осцилляции пропускания, четко фиксировался переход в соседнее экстремальное положение на S-кривой, что соответствовало изменению фазовой задержки на π. Недостатком данной конструкции модулятора явилось недостаточное быстродействие, а также высокая концентрация вводимой сенсибилизирующей добавки, на уровне 5 вес.%, что затрудняет применение этого устройства в быстродействующих телевизионных, дисплейных, голографических, корреляционных лазерных системах.
Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение быстродействия ПДЖК-модулятора при существенном снижении концентрации сенсибилизирующей добавки.
Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает в качестве электрооптического слоя полимер-диспергированный нематический ЖК-слой, сенсибилизированный смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура-фуллерен и в качестве ориентирующего слоя - нефоточувствительный полиимид, используют полимер-диспергированный нематический ЖК-слой, сенсибилизированный смесью на основе комплекса полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS. Замена трехкомпонентной сенсибилизирующей фуллеренсодержащей добавки к ЖК-слою на двухкомпонентный сенсибилизирующий состав создает условия для ускоренного процесса комплексообразования при учете того факта, что акцепторная способность квантовых точек, 3,8-4,6 почти в 2 раза выше, чем у фуллеренов, 2.65-2.7 эВ [5], при сохранении условия, что локальная поляризация единицы объема фуллеренсодержащей среды с НЖК [6] сравнима с таковой для НЖК с комплексом полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS. Эти факторы позволяют более эффективно проводить переориентацию молекул ЖК при включении электрического поля, увеличивая быстродействие при существенном сокращении концентрации вводимой сенсибилизирующей добавки, всего на уровне 0.03 вес.%. При работе предлагаемой конструкции ПДЖК использовалось импульсное напряжение питания и непрерывный или импульсный режим засветки.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ПДЖК-модулятор отличается тем, что для повышения быстродействия электрооптического слоя используется электрооптический слой другого состава: НЖК, сенсибилизированный смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены конструкция ЖК-модулятора (фиг.1), и традиционной схемой измерения временных характеристик ЖК-модулятора (фиг.2).
Предлагаемый ПДЖК-модулятор (фиг.1) представляет собой многослойную систему (фиг.1), куда входят: 1 - стеклянные подложки; 2 - проводящие контакты; 3 - ориентирующий слой; 4 - тефлоновые прокладки; 5 - полимер-диспергированный ЖК-слой; 6 - схематично изображенный комплекс с переносом заряда на основе системы полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS. Структура заключалась между двумя стеклянными подложками диаметром 35 мм с прозрачными проводящими покрытиями, полученными методом вакуумного напыления окиси индия с добавкой окиси олова. Начальная ориентация ЖК - планарная, использовался S-эффект.
Измерения временных характеристик ПДЖК-модулятора проводилось по схеме, показанной на фиг.2, где представлены: He-Ne-лазер (1), поляризатор (2), делительная пластина (3), колода со светофильтрами (4) - для варьирования мощностью излучения, падающего на изучаемую структуру; ЖК-модулятор (5); анализатор (6); фотодиоды (7 и 9), 8 - осциллограф, визуализирующий электрооптический отклик ЖК-модулятора.
ПДЖК модулятор работал следующим образом.
пит
Непрерывное излучение He-Ne-лазера попадало в спектральную область функционирования нематического ЖК с введенным комплексом с переносом заряда: полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS. Диаметр пятна на ПДЖК-модуляторе составлял 3 мм, что существенно превосходило размер неоднородностей в ПДЖК-слое (размер последних составлял около 200 нм). Максимальная мощность облучения составляла 10 мВт. Модулятор работал в режиме «на просвет». В связи с перебором межмолекулярного акцептора - квантовых точек из ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS, модулятор может функционировать и на длине волны 532 нм при использовании импульсного лазерного источника - второй гармоники импульсного неодимового лазера, и на длине волны 633 нм при использовании непрерывного излучения гелий-неонового лазера, и на длине волны 805 нм при использовании квази-непрерывного титан-сапфирового лазера. Для питания модулятора использовалось импульсное напряжение питания с параметрами импульса: амплитуда (А) 10-45 В, длительностью (τ) от 3 до 30 мс и частотой следования (1/Т) от 0.5 до 200 Гц.
Электрооптический отклик регистрировался после анализатора (6), стоящего за ПДЖК-модулятором (5), с помощью фотодиода (7) и записывался на осциллографе GRS-6052A (8) в ждущем режиме. Время включения определялось традиционно, то есть, как время нарастания электрооптического отклика от уровня 0.1 до уровня 0.9 его максимального значения. Время выключения определялось как время затухания электрооптического отклика от его максимального значения до уровня 0.1.
Использование в качестве электрооптического слоя НЖК, сенсибилизированного смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда полиимид-квантовые точки ряда CdSe(ZnS), CdS/ZnS, InP/ZnS, позволило увеличить быстродействие модулятора при существенном снижении концентрации вводимой сенсибилизирующей добавки. Улучшенное быстродействие устройства, являющееся необходимым условием его применения в скоростных дисплейных и телевизионных системах, а также в лазерной технике, позволили сократить времена включения и выключения с 2.5 и 4 мс [4] до 0.1 и 0.3 мс и концентрацию вводимой сенсибилизирующей добавки с 0.5-5 вес.% [4] до 0.03 вес.%, то есть более чем на порядок. Указанное функциональное совершенствование прибора позволит расширить область применения электрооптических ПДЖК-модуляторов света.
Работа поддержана грантом РФФИ №10-03-00916, а также ФЦП НТБ программой, проект «Модулятор с ПЭВ».
Источники информации
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.
2. Каманина Н.В., Капорский Л.Н. «Влияние фуллеренов на динамические характеристики жидкокристаллических систем». Письма в ЖТФ, т.26, №19, с.30-38, 2000.
3. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.
4. Каманина Н.В., Ракчеева Л.П. «Перспективы использования фуллеренов для ориентации жидкокристаллических композиций». Письма в ЖТФ, т.28, №11, с. 28-36, 2002.
5. Н.А.Шурпо, М.С. Вакштейн, Каманина Н.В. «Влияние полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS на динамические свойства нематической жидкокристаллической среды», Письма в ЖТФ, т.36, вып.7, с.54-59, 2010.
6. Каманина Н.В. «Фуллеренсодержащие диспергированные нематические жидкокристаллические структуры: динамические характеристики и процессы самоорганизации». Успехи физических наук, т.175, №4, с.445-454, 2005.