藍相是一種介於各向同性相以及膽固醇相之間的液晶相，其存在的溫度範圍很窄，具有光學的同向性、主動性以及高度的旋性。而藍相的3D立體晶格結構，可視為自聚集的三維光子晶體，亦具有Bragg reflections的特性，藉由調控藍相液晶的光子能（photonic band gap）隙來達成光電元件的應用為本論文之研究目標。
本論文摻雜偶氮材料於藍相液晶中，藉由偶氮材料本身的Trans-cis同素異構化特性達成三維光子晶體的光場調控。利用特定波長的光引致偶氮材料的Trans-cis isomerization，而此效應會改變膽固醇的螺距，使得藍相的photonic band gap可獲得有效的調控。本研究經由473nm的藍光雷射的激發，引致偶氮材料Trans-cis isomerization，使得改變藍相晶格結構的Bragg reflections。藉由不同旋性物質的比例達成藍相晶格紅、黃、綠、藍的切換，並使用kossel繞射圖形驗證晶格變化。再搭配532nm的綠光雷射，可達成光寫入以及複寫的藍相反射式顯示器。未來具有其極大的發展潛力。

This study presents an optically switchable band gap of a 3D photonic crystal that is based on an azobenzene-doped liquid crystal blue phase. The trans-cis photoisomerization of azobenzene was induced by irradiation using 473nm light, and caused the deformation of the cubic unit cell of the blue phase and a shift in the photonic band gap. The fast back-isomerization of azobenzene was induced by irradiation with 532nm light. The crystalline structure was verified using a Kossel diffraction diagram. An optically addressable blue phase display, based on Bragg reflection from the photonic band gap, is also demonstrated. It can be written, erased, and rewritten repeatedly and exhibits a bright saturated color.

目 錄
摘要……………………………………………………………… I
Abstract ………………………………………………………… II
目錄……………………………………………………………… III
圖目錄…………………………………………………………… VI
表目錄…………………………………………………………… X
第一章 緒論………………………………………………… 1
第二章 液晶介紹
2.1 何謂液晶……………………………………………………… 3
2.2 液晶的分類…………………………………………………… 5
2.2.1 向列相……………………………………………………… 7
2.2.2 膽固醇相…………………………………………………… 7
2.2.3 藍相………………………………………………………… 11
2.3 液晶的物理特性…………………………………………… 17
2.3.1 秩序參數……………………………………………………18
2.3.2 液晶的光學異向性…………………………………………19
2.3.3 溫度對向列相液晶的影響…………………………………24
2.3.4 介電常數異向性……………………………………………26
2.3.5 Freedericks Transition…………………………………… 27
2.3.6 連續彈性體理論……………………………………………28
2.3.7 黏滯係數異向性……………………………………………29
第三章 理論介紹
3.1光子晶體………………………………………………………31
3.2膽固醇液晶：一維光子晶體………………………………… 33
3.2.1膽固醇液晶的光學特性…………………………………… 35
3.2.2影響膽固醇液晶螺距的因素……………………………… 36
3.3藍相液晶：三維光子晶體…………………………………… 39
3.3.1藍相晶格結構的Bragg reflection………………………… 41
3.3.2藍相晶格結構的繞射條紋………………………………… 42
3.4光激發同素異構化反應(photoisomerization) ………………44
第四章 實驗方法與過程
4.1 材料介紹…………………………………………………… 47
4.1.1 向列型液晶TH-NEG1…………………………………… 47
4.1.2 旋性物質S811…………………………………………… 48
4.1.3偶氮材料4-dodecyloxy-4-methoxy-azobenzen (M12C) …49
4.2 設備介紹…………………………………………………… 50
4.3 實驗方法…………………………………………………… 53
4.3.1 樣品製作…………………………………………………… 53
4.3.2膽固醇/藍相反射光譜量測方法…………………………… 60
4.3.3光引致藍相能隙調控系統架設…………………………… 61
4.3.4 Kossel diffraction pattern量測…………………………… 63
第五章 結果與討論
5.1旋性物質對BP的影響……………………………………… 65
5.1.1 chiral濃度對藍相存在範圍的影響…………………………65
5.1.2 chiral濃度對藍相布拉格反射波長範圍的影響……………66
5.2 偶氮材料光學特性………………………………………… 69
5.3 偶氮材料對藍相液晶的影響……………………………… 70
5.4 光引致藍相光子能隙調控………………………………… 72
5.4.1 藍相的顯微鏡圖像變化…………………………………… 72
5.4.2藍相晶格結構形變對應之繞射條紋……………………… 74
5.4.3光子能隙調控對應之布拉格反射波長變化……………… 76
5.4.4 縮短band gap調控的反應時間…………………………… 79
5.4.5 光寫入及複寫……………………………………………… 81
第六章 結論與未來展望
6.1 結論………………………………………………………… 82
6.2 未來展望…………………………………………………… 82
參考文獻………………………………………………………… 84
圖目錄
圖2.1.1 液晶性物質隨溫度變化之狀態轉變與對應的分子排列方式…………………………………………………………………… 4
圖2.2.1 液晶的分類……………………………………………… 5
圖2.2.2 長條狀、圓盤狀熱致液晶結構式……………………… 6
圖2.2.3 長條狀熱致型液晶的分類……………………………… 6
圖2.2.4 膽固醇（cholesteric）液晶分子排列示意圖………… 8
圖2.5.5 各種chiral dopant 的化學結構………………………… 10
圖2.2.6 膽固醇液晶各種排列結構…………………………… 10
圖2.2.7 降溫相轉換示意圖…………………………………… 12
圖2.2.8 chiral濃度與BP存在溫度關係圖……………………… 12
圖2.2.9 膽固醇液晶分子一維扭轉示意圖…………………… 13
圖2.2.10 simple twist與double twist排列比較圖……………… 15
圖2.2.11 Blue phase 單位晶格結構示意圖(a)double-twisted cylinder(b)BPI體心立方(body centered cubic)(c)BPII簡單立方(simple cubic) …………………………………………………… 16
圖2.3.1 液晶分子長軸方向α與導軸 之空間關係…………… 18
圖2.3.2 正單光軸晶體的折射率橢圓球……………………… 21
圖2.3.3 液晶分子在不同取向所感受到不同的折射率示意圖... 24
圖2.3.4 5CB液晶在三種不同波長下與溫度的關係圖……… 25
圖2.3.5 5CB液晶在波長為633.8nm探測之下，|dne/dT|以及dno/dT與溫度的關係圖………………………………………… 26
圖2.3.6 正型以及負型液晶在電場中的扭轉示意圖………… 27
圖2.3.7 液晶的三種形變模式………………………………… 29
圖2.3.8 向列型液晶三個穩定流動方向及相對應的黏滯係數.. 30
圖3.1.1 一維、二維、三維光子晶體示意圖………………… 32
圖3.1.2 二維及三維光子晶體………………………………… 33
圖3.2.1 週期性晶體示意圖…………………………………… 33
圖3.2.2 光子晶體反射光譜…………………………………… 34
圖3.2.3 Dispersion relation 曲線……………………………… 35
圖3.2.4 膽固醇液晶的布拉格反射、透射示意圖…………… 36
圖3.2.5 Planar結構膽固醇液晶的反射頻譜圖……………… 36
圖3.2.6 外加磁場垂直於螺旋軸其螺距隨磁場變化的示意圖.. 39
圖3.3.1 body-centered cubic色散關係圖………………………41
圖3.3.2 晶格結構的布拉格反射……………………………… 42
圖3.3.3 conoscopic架設示意圖……………………………… 43
圖3.3.4 藍相晶格結構以及繞射條紋………………………… 44
圖3.4.1 光激發同素異構化示意圖…………………………… 46
圖3.4.2 trans與cis化學結構示意圖…………………………… 46
圖4.1.1 Chiral dopant S811之分子結構式…………………… 48
圖4.1.2 M12C的分子結構式…………………………………… 49
圖4.1.3 M12C的吸收光譜……………………………………… 50
圖4.2.1 實驗所使用之重要儀器……………………………… 52
圖4.3.1 液晶空盒製作流程…………………………………… 57
圖4.3.2 液晶厚度量測光路架設圖…………………………… 58
圖4.3.3 液晶空盒光譜圖…………………………………………59
圖4.3.4 液晶填充流程圖……………………………………… 60
圖4.3.5 光譜量測系統架設圖………………………………… 61
圖4.3.6 光調控系統架設圖…………………………………… 62
圖4.3.7 kossel diffraction pattern量測系統示意圖…………… 64
圖5.1.1 不同比例chiral濃度對應之反射波長光譜…………… 67
圖5.1.2 不同比例下藍相初始狀態之晶格結構……………… 68
圖5.1.3 藍相初始穩定狀態的反射波長光譜………………… 68
圖5.2.1 偶氮材料M12C吸收光譜(a)UV光曝照前的穩定trans態 (b)UV曝照後的cis態…………………………………………… 70
圖5.3.1 藍相添加偶氮材料之反射波長光譜變化…………… 71
圖5.4.1 各種chiral濃度之藍相隨照光變化的顯微鏡圖像…… 74
圖5.4.2 各種chiral濃度之藍相隨著照光對應的kossel繞射圖變化………………………………………………………………… 76
圖5.4.3 各種chiral濃度之藍相隨照光的布拉格反射波長變化情形………………………………………………………………… 77
圖5.4.4 藍相受雷射光照射反射波長的變化(a)藍光雷射473nm照射時波長變化(b)綠光雷射532nm照射時波長回復情形……80
圖5.4.5 光寫入式藍相液晶顯微鏡圖像……………………… 81
表目錄
表4.2.1 實驗所使用之設備列表……………………………… 50
表4.3.1 液晶與旋性物質的重量百分比……………………… 55
表5.1.1 chiral濃度對藍相的影響………………………………66
表5.3.1 藍相添加偶氮材料之相變溫度對照表……………… 72

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