极光和非极光光诱导下铁电材料在光敏聚合物基底上的取向排列

《Soft Matter》：Polar and apolar light-induced alignment of ferroelectric nematics on photosensitive polymer substrates

　　表面对齐技术的研究表明，光敏聚合物底材通过不同角度的紫外光照射可实现铁电 nemat 液晶（N_F）的两种新型表面取向模式：平面非极性模式（垂直于紫外光偏振方向的双向极化交替排列）和平面极性模式（单方向极化稳定对齐）。这两种模式在电场响应上显著不同，平面非极性模式可在电场作用下快速切换极化方向，而平面极性模式在电场移除后能自发恢复单一极化方向。该技术避免了传统机械抛光导致的表面电荷和杂质问题，为铁电液晶器件提供了非接触式可控对齐方案。

　　
近年来，铁电各向异性液体晶体（N_F）的光取向技术因其独特的优势成为研究热点。传统方法依赖机械抛光，但这种方法容易引入表面电荷、污染或机械损伤，且难以实现复杂取向模式。相比之下，光取向技术通过紫外（UV）光与光敏聚合物材料的相互作用，能够非接触式地调控液体晶体的取向，具有高精度、可重复性和无污染的特点。本文以聚偏氟乙烯基肉桂酸酯（PVCN-F）为光敏层，探讨了N_F晶体在两种不同光照模式下的取向特性及其应用潜力。

### 光取向技术的创新突破
传统光取向技术多采用顺式-反式异构化反应（如偶氮苯类化合物），通过UV照射诱导聚合物分子链的共价交联，从而形成各向异性表面。然而，此类方法通常导致平面无极取向（quadrupolar alignment），即液体晶体分子的自发极化方向（P）与UV光极化方向垂直，且存在方向反转的双稳态特性，需额外步骤（如倾斜入射光）才能消除双稳性。此外，传统技术难以实现铁电液体晶体的极性单稳态取向，因为其强极化特性会与介电基底产生表面电荷相互作用，导致取向不稳定。

本研究通过创新性设计双阶段UV照射方案，首次实现了铁电液体晶体（DIO）的极性单稳态取向。实验表明，采用正常入射线偏振UV光进行初始处理，可诱导PVCN-F形成平面无极取向基底，此时DIO的极化方向（P）与UV光极化方向垂直，且存在正负交替的双稳态结构。但通过追加倾斜入射的UV光处理，研究团队成功构建了具有单一稳定极化方向的平面极性模式，这一突破显著提升了光取向技术的可控性。

### 两种光取向模式的物理机制
**1. 平面无极光取向模式（模式1）**
当UV光垂直照射PVCN-F基底时，光敏分子发生共价交联，形成各向异性网络结构。实验数据显示，此时DIO的极化方向（P）与UV光极化方向（L?）垂直，且在基底平面内形成双极化方向交替的 stripe domain 结构。这种取向模式具有以下特性：
- **双稳态特性**：极化方向（P）在相邻 domains 中呈现正负交替排列，如P=(+P,0,0)与P=(-+P,0,0)共存。
- **电场响应性**：施加100 V/m的电场即可实现极化方向（P）的切换，且反转电场（E=-100 V/m）能稳定新极化方向。值得注意的是，这种模式中极化方向（P）与电场方向（E）的耦合作用显著，但未观察到极性锚定（polar anchoring）的贡献。
- **厚度依赖性**：当样品厚度超过5微米时， stripe domains 可能演化为twisted domains结构，但本研究聚焦于薄膜基底（<5微米），因此未观察到明显扭曲。

**2. 平面极性光取向模式（模式2）**
通过在模式1的基础上追加倾斜入射的UV光处理（第二阶段光照），研究团队成功诱导出极性单稳态取向。具体特征包括：
- **极性锚定增强**：倾斜入射光通过调控PVCN-F的取向梯度，使极化方向（P）与光波矢（k?）的投影方向垂直。实验数据显示，极性锚定系数（W_P）显著高于传统机械抛光基底（W_P≈0.1W_Q），表明基底对极化方向的引导能力大幅提升。
- **单稳态特性**：施加反向电场（E=-100 V/m）后，极化方向（P）可在200秒内自动恢复至初始状态（P=(+P,0,0)）。这种特性源于极性锚定与四极锚定的协同作用，使系统在能量曲面上形成深度凹陷的单稳态。
- **界面电荷规避机制**：铁电液体晶体的自发极化强度（P≈4.4×10?2 C/m2）较高，若与基底形成垂直极化，将导致表面电荷密度超过10?3 C/m2，引发显著退极化场。新模式通过实现极化方向（P）与基底表面平行的极化单轴（easy axis），成功规避了这一难题。

### 技术优势与应用前景
**非接触式取向**：与传统机械抛光相比，光取向技术避免了物理接触带来的污染和表面损伤，特别适用于高灵敏度铁电液体晶体材料。
**动态可调性**：通过施加电场可实时切换极化方向，且场移除后能保持稳定状态（如模式2在200秒内自发恢复初始取向），为动态显示器件提供了新思路。
**极性锚定增强**：模式2中极性锚定系数（W_P）与四极锚定系数（W_Q）的比值（W_P/W_Q≈3.2）远超传统机械抛光基底（W_P/W_Q≈0.1），表明PVCN-F光敏层在调控极化取向方面具有显著优势。
**工艺兼容性**：该技术适用于柔性、曲面的非均匀基底，且通过调节UV照射参数（如时间、角度、光强）可定制不同取向模式，为微纳光刻、柔性电子等领域的器件制备提供了新方法。

### 潜在挑战与研究方向
尽管取得重要进展，但仍存在需进一步探索的问题：1）光敏聚合物分子链的共价交联程度与取向精度之间的定量关系；2）铁电液体晶体的极化方向与光波矢投影方向的匹配机制；3）长期稳定性测试（实验显示模式2在2-3小时后逐渐退化，可能与热退火效应相关）。未来研究可结合原位光谱表征（如UV-Vis吸收光谱监测分子异构化）和电镜技术，深入解析光-材料-液体晶体多尺度相互作用机制。

该研究为铁电液体晶体的表面取向提供了新的解决方案，其技术路径（双阶段UV光照）可拓展至其他光敏聚合物材料，为开发下一代柔性电光器件奠定基础。例如，在显示领域，可通过交替施加不同极性电场实现P的动态切换；在传感器领域，极性单稳态取向可增强界面对极化敏感探针的响应灵敏度。这些应用场景的拓展将推动光取向技术在功能器件中的实际应用。