賀雅梅，靳曉宇，黎梓銘，胡小文，李 明，周?chē)?guó)富

（1.華南師范大學(xué) 華南先進(jìn)光電子研究院，廣東 廣州 510006；2.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，能源的消耗量在逐年快速地增加。建筑能耗已經(jīng)達(dá)到了全社會(huì)總能耗的1/3［1］，并且超過(guò)50%的建筑能耗來(lái)源于照明系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)，由此所引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日益突出，必將成為未來(lái)人類(lèi)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［2-3］。我國(guó)已經(jīng)將節(jié)能環(huán)保確立為基本國(guó)策，并于2007 年頒布了《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》。國(guó)務(wù)院頒布的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》［4］及住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五規(guī)劃”》［5］明確指出，推進(jìn)建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義［6］。隨著實(shí)際需求及智能材料的迅猛發(fā)展，調(diào)光器件作為一類(lèi)能夠?qū)μ?yáng)光波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控的智能材料引起了研究人員的興趣。

研究發(fā)現(xiàn)，將調(diào)光器件作為一種新型智能窗使用，可以為節(jié)能減排事業(yè)做出一定的貢獻(xiàn)。在白天，透明的玻璃窗允許太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，可見(jiàn)光區(qū)域能夠?yàn)槭覂?nèi)提供光亮，減少照明系統(tǒng)的能源消耗［3，7］。由于太陽(yáng)光波是一種能量波，在保障建筑物內(nèi)部照明的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)大量的熱量，增加了建筑控溫系統(tǒng)的能源消耗［8-9］。調(diào)光器件具有能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域的太陽(yáng)光波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控的特性，當(dāng)對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域的入射光進(jìn)行調(diào)控時(shí)，該調(diào)光器件能夠?qū)崿F(xiàn)視覺(jué)上透明與不透明狀態(tài)的動(dòng)態(tài)切換，當(dāng)對(duì)攜帶有大量熱量的近紅外光區(qū)域的入射光進(jìn)行調(diào)控時(shí)，該調(diào)光器件能夠降低室內(nèi)溫度。調(diào)光器件的出現(xiàn)為新型智能窗的出現(xiàn)提供了無(wú)限可能，為建設(shè)節(jié)能低碳、綠色生態(tài)、集約高效的綠色建筑提供選擇，調(diào)光器件的研究具有深遠(yuǎn)意義［10］。

液晶是一種凝聚態(tài)的軟物質(zhì)材料［11］，處于液態(tài)與固態(tài)之間的中間相態(tài)，其分子既具有液體的流動(dòng)性又具有晶體的空間各向異性［12-13］。液晶分子的排列可以在光、電、磁、熱等外場(chǎng)條件下發(fā)生有序變化，其光學(xué)特性可以被外場(chǎng)調(diào)節(jié)。因此液晶材料在顯示領(lǐng)域、光伏器件、刺激響應(yīng)性智能調(diào)光器件等方面具有廣泛的應(yīng)用前景［14-18］。相較于傳統(tǒng)的單一液晶材料，液晶-聚合物的復(fù)合材料功能豐富，是制作調(diào)光器件的理想材料。基于液晶-聚合物材料制備的調(diào)光器件可以通過(guò)調(diào)節(jié)液晶與聚合物網(wǎng)絡(luò)間的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的動(dòng)態(tài)調(diào)控［19-21］，優(yōu)化了液晶材料的光電性能。除此之外，可以通過(guò)控制液晶的螺距大小改變調(diào)光器件的反射波段，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域及近紅外光區(qū)域光波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。并且電響應(yīng)的調(diào)光器件具有易于控制、效果穩(wěn)定、響應(yīng)快速等特性，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。

本文綜述了基于液晶材料的電響應(yīng)調(diào)光器件的研究進(jìn)展。根據(jù)聚合物含量及調(diào)控太陽(yáng)光波段的不同主要對(duì)以下3 種調(diào)光器件進(jìn)行了介紹：聚合物分散液晶（Polymer dispersed liquid crystal，PDLC）調(diào)光器件、聚合物穩(wěn)定液晶（Polymer stabilized liquid crystals，PSLC）調(diào)光器件和聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶（Polymer stabilized cholesteric liquid crystals，PSCLC）調(diào)光器件，并簡(jiǎn)要描述了這些調(diào)光器件的工作原理。最后，總結(jié)了基于液晶材料的電響應(yīng)調(diào)光器件的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

2 基于液晶材料的電響應(yīng)調(diào)光器件

2.1 聚合物分散液晶調(diào)光器件

1979 年，日本九州大學(xué)Kajiyama 等人首次提出聚合物分散液晶（Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC）的概念，即由液晶和聚合物組成的一種復(fù)合材料［22-23］。通常采用聚合引發(fā)相分離法（Polymerization induced phase separation，PIPS）制備PDLC［24-25］，將微米級(jí)的小分子液晶和可聚合單體按一定比例混合，通過(guò)加熱［26-27］或紫外光照射［28］等方式誘導(dǎo)單體發(fā)生聚合反應(yīng)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，得到PDLC。在PDLC 的制備中，常采用環(huán)氧樹(shù)脂（熱固化法）或丙烯酸酯（紫外光固化法）作為可固化的單體材料［29］。單體形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常大于40%［30］，低摩爾質(zhì)量的小分子液晶不溶于聚合物網(wǎng)絡(luò)，以液晶微滴的形式分散其中［31］。當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10% 時(shí)，不再是聚合物分散液晶，而是聚合物穩(wěn)定液晶（Polymer stabilized liquid crystals，PSLC）。聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)液晶微滴有錨定作用，有效增強(qiáng)了液晶材料的穩(wěn)定性，提高了其電光性能［32-33］。

在適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)作用下，PDLC 調(diào)光器件可以在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)進(jìn)行毫秒級(jí)的可逆切換，其工作原理如圖1（a）所示［34-41］。將正性（正介電各向異性）的液晶混合液在毛細(xì)作用下填充到兩個(gè)平行的透明導(dǎo)電基板之間。在沒(méi)有電場(chǎng)的初始狀態(tài)下，聚合物網(wǎng)絡(luò)中的LC 微滴隨機(jī)分布且光軸取向不規(guī)則，PDLC 對(duì)入射光發(fā)生強(qiáng)烈的散射處于不透明狀態(tài)。在電場(chǎng)作用下，兩個(gè)基板之間形成垂直電場(chǎng)，微滴中的正性L(fǎng)C 沿著與電場(chǎng)平行的方向重新定向排列，此時(shí)LC 的折射率與聚合物網(wǎng)絡(luò)的折射率相匹配允許入射光順利通過(guò)，PDLC 處于透明狀態(tài)，其實(shí)物圖如圖1（b）所示［33，42-45］。

圖1 PDLC 的（a）工作原理及（b）實(shí)物圖［41］Fig.1 Schematic representation of（a）working principle and（b）images of PDLCs in their OFF/ON states［41］

目前，PDLC 已廣泛應(yīng)用于智能玻璃、光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、立體顯示等領(lǐng)域［46-49］。然而，PDLC 的工作電壓較高，需要長(zhǎng)時(shí)間通電維持透明狀態(tài)［50］，不利于作為建筑和車(chē)輛智能窗的使用。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)改善PDLC 光電性能的方法進(jìn)行了研究和報(bào)道，比如控 制PDLC 中液晶液滴的大?。?1］、優(yōu)化聚合條件、使用不同的LC 單體等方法［52-53］。Shim 等人［54-55］發(fā)現(xiàn)向PDLC 中摻雜表面活性劑可以改善PDLC 的光電性能，表面活性劑可以降低聚合物和液晶微滴之間的錨定力，液晶分子更容易在電場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而降低PDLC 的閾值電壓。高峰等人［56］發(fā)現(xiàn)阻聚劑可以對(duì)單體的聚合反應(yīng)起到延緩作用，有利于液晶小分子充分析出，形成較大體積的液晶微滴。較大體積的液晶微滴與聚合物之間的接觸面積減少，降低了二者之間的錨定力，進(jìn)而降低了PDLC 的閾值電壓。

Guo 等人［57］利用一種新型聚合物分散和穩(wěn)定膽甾相液晶（Polymer-dispersed and polymerstabilized cholesteric liquid crystals，PD&SCh）體系（圖2），制備了一種低工作電壓（比典型的PDLC 的電壓低50%以上）的電響應(yīng)調(diào)光器件。與典型PDLC 制備方式不同的是，在聚合過(guò)程中引入方波的交流電。電場(chǎng)的加入，使多孔腔內(nèi)的液晶分子沿垂直于基板的方向重新排列，液晶分子周?chē)淳酆系膯误w復(fù)刻了液晶分子的排列結(jié)構(gòu)并在聚合后形成了垂直于基板的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)掃描電鏡SEM 觀(guān)察新體系的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在多孔聚合物基體的每個(gè)多孔腔內(nèi)隨機(jī)分布有垂直排列的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。垂直網(wǎng)絡(luò)與LC 分子在垂直方向上的相互作用力，對(duì)液晶分子受到電響應(yīng)重新排列行為起到了輔助作用，從而有效降低了工作電壓。只需施加20.0 V 的電壓，就可以在不透明狀態(tài)和透明狀態(tài)之間進(jìn)行可逆切換，既能滿(mǎn)足隱私保護(hù)要求，又能滿(mǎn)足視覺(jué)要求。

圖2 基于PDLC 與PD&SCh 制備的調(diào)光器件的（a）透射率-電壓圖（插圖：PDLC 與PD&SCh 多孔腔示意圖），（b）聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖及（c）實(shí)物圖［57］。Fig.2 （a）Transmittance-voltage diagram（illustration：schematic diagram of porous cavity of PDLC and PD&SCh），（b）schematic diagram of polymer network structure，and（c）Physical diagram of dimming device based on PDLC and PD&SCh［57］.

盡管研究人員對(duì)如何改善傳統(tǒng)PDLC 的光電性能做出了幾十年的努力，但是由于液晶的運(yùn)動(dòng)受到PDLCs 多孔聚合物結(jié)構(gòu)的極大限制，在降低驅(qū)動(dòng)電壓方面沒(méi)有取得明顯改善。高驅(qū)動(dòng)電壓的傳統(tǒng)PDLC 調(diào)光器件的使用不僅帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題，而且會(huì)導(dǎo)致巨大的能源消耗。如何降低驅(qū)動(dòng)電壓，依舊是PDLC 調(diào)光器件需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光器件

1989 年，Broer 及荷蘭飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造性地提出PSLC 的概念［58-59］。與PDLC 不同，PSLC 中的聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%，聚合物網(wǎng)絡(luò)分散在連續(xù)相的液晶中［60］。在電場(chǎng)作用下，PSLC 調(diào)光器件可以在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)實(shí)現(xiàn)可逆切換，并且由于聚合物含量的下降，PSLC具有更低的閾值電壓［61］。

以負(fù)性（負(fù)介電各向異性）向列相液晶的PSLC 為例，在垂直取向?qū)樱?2］的作用下，單疇?wèi)B(tài)的液晶分子和聚合物網(wǎng)絡(luò)沿垂直于基板的方向排列。在不施加電場(chǎng)時(shí)，由于液晶折射率與聚合物網(wǎng)絡(luò)折射率相匹配，PSLC 處于透明狀態(tài)。當(dāng)施加電場(chǎng)后，負(fù)性的液晶分子在電場(chǎng)力的作用下沿著與電場(chǎng)垂直的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而聚合物網(wǎng)絡(luò)的彈性力會(huì)阻礙液晶分子的這種定向偏轉(zhuǎn)，在雙重作用力下，光軸不規(guī)則取向的多疇?wèi)B(tài)液晶分子的折射率與聚合物網(wǎng)絡(luò)的折射率不匹配，入射光被強(qiáng)烈散射，器件處于不透明狀態(tài)［60］，如圖3 所示。

圖3 PSLC 的工作原理及實(shí)物圖［62］Fig.3 Schematic representation of the working principle and images of PSLCs in their OFF/ON states［62］

盡管PSLC 結(jié)合了液晶和聚合物各自的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的電光性能［63-64］，彌補(bǔ)了PDLC 驅(qū)動(dòng)電壓高、視角差，對(duì)比度低等的不足，但其性能仍需進(jìn)一步優(yōu)化，包括閾值電壓、響應(yīng)時(shí)間和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等［65］。聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)液晶的錨定作用和彈性作用影響了器件的響應(yīng)速度及閾值和飽和電壓。

聚合條件影響聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌［61，66］，進(jìn)而影響PSLC 的光電性能。研究人員探索了聚合電場(chǎng)頻率［67］、聚合電場(chǎng)波形［68］、聚合溫度［69］等聚合條件與聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌的關(guān)系。當(dāng)聚合電場(chǎng)頻率低或者聚合電場(chǎng)波形為方形波時(shí)，單體擴(kuò)散速度快，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)疏松且網(wǎng)孔較大。此時(shí)PSLC 響應(yīng)速度慢，閾值和飽和電壓小。當(dāng)聚合電場(chǎng)頻率高或者聚合電場(chǎng)波形為三角形波時(shí)，單體擴(kuò)散速度慢，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)致密且網(wǎng)孔較小，PSLC 調(diào)光器件響應(yīng)速度快，閾值和飽和電壓大。聚合溫度越高，單體擴(kuò)散速度越快。聚合溫度同樣通過(guò)影響單體的擴(kuò)散速度，進(jìn)而影響PSLC 的光電性能。

Zhou 等人［70］研究了不同單體配比對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)的形貌及PSLC 電光性能的影響（圖4）。在雙丙烯酸酯單體中引入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單丙烯酸酯單體，隨著單丙烯酸酯單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加到2.4%，PSLC 中聚合物網(wǎng)絡(luò)從致密逐漸變得疏松，對(duì)液晶的錨定作用減弱。因此當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子更容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，工作電壓從17.4 V 降低到7.5 V（圖4（b））。雖然引入單丙烯酸酯單體可以降低工作電壓，但是密度降低且軟化的聚合物網(wǎng)絡(luò)容易發(fā)生疲勞。長(zhǎng)期通電的聚合物網(wǎng)絡(luò)處于疲勞狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的彈性力不能使液晶分子恢復(fù)初始的排列狀態(tài)，致使器件的關(guān)態(tài)透過(guò)率降低，嚴(yán)重影響PSLC 的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

圖4 用不同比例的單丙烯酸酯單體制備的PSLC。（a）聚合物網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的SEM 俯視圖；（b）單丙烯酸酯單體比例-閾值電壓、飽和電壓的曲線(xiàn)圖［70］。Fig.4 PSLC under conditions of varying mono-acrylate monomer ratios.（a）Top-view of the SEM images of the morphology of the polymer network；（b）Threshold and saturation voltage for PSLC under different mono-acrylate monomer ratios.

Hu 等人［62］通過(guò)控制液晶混合液中可光聚合單體的含量及器件的厚度實(shí)現(xiàn)了PSLC 調(diào)光器件的制備，該器件的透射率在電響應(yīng)下可以實(shí)現(xiàn)從98%到3.5%的動(dòng)態(tài)切換。該方法所制得的液晶器件電光性能及穩(wěn)定性均較優(yōu)異，均勻性亦佳，可制得40 cm×50 cm 大小的智能窗（圖5（a）），經(jīng)過(guò)一萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)測(cè)試后性能未發(fā)生明顯變化（圖5（b）），展現(xiàn)出較大的應(yīng)用前景。

圖5 （a）G2.5 代產(chǎn)線(xiàn)制造的PSLC 智能窗的實(shí)物圖；（b）PSLC 在關(guān)閉和打開(kāi)狀態(tài)下的透射率-時(shí)間曲線(xiàn)圖［62］。Fig.5 （a）Prototype of a G2.5 size PSLC smart window in the OFF/ON state；（b）Transmittance recorded for a PSLC in the OFF and ON states as a function of switching times［62］.

利用金屬離子摻雜技術(shù)可以增大電場(chǎng)對(duì)液晶分子的作用力，降低PSLC 的閾值和飽和電壓，改善其電光性能。Yan 等人［72］將銀納米線(xiàn)摻雜到PSLC 中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銀納米線(xiàn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加到0.02% 時(shí)，閾值電壓從2.4 V 降低到0.6 V，電光性能得到優(yōu)化（圖6）。這是因?yàn)閾诫s銀納米線(xiàn)會(huì)顯著降低液晶的離子雜質(zhì)濃度，導(dǎo)致PSLC 體系的電導(dǎo)率下降。從而當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，作用在液晶分子上的電場(chǎng)力增強(qiáng)，液晶分子更容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。除此之外，將單層表面活性劑十二烷基硫酸鈉（Sodiμm dodecyl sulfate，SDS）包覆的銀納米顆粒摻雜到PSLC 中［72］，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的銀納米顆?？梢詫㈤撝惦妷航档?9%（從11.5 V 降至7.1 V）（圖6（b））。液晶分子和SDS分子的柔性尾端可以發(fā)生定向耦合，隨機(jī)分布的銀納米顆粒表面的SDS 柔性鏈會(huì)使定向排列的液晶發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)/局部變形（圖6（a））。因此在外加電場(chǎng)的作用下，液晶分子很容易突破聚合物網(wǎng)絡(luò)的束縛發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低閾值電壓。

圖6 （a）摻雜銀納米顆粒的PSLC 工作原理示意圖［72］；（b）在透射率為10%與90%時(shí)，銀納米顆粒濃度-閾值電壓曲線(xiàn)圖［72］。Fig.6 （a）Schematic representation of the working principle of PSLC doped with Ag nanoparticles in the OFF/ON states［72］；（b）Variations in the voltages for V10 and V90 under conditions of varying Ag nanoparticle concentrations［72］.

近年來(lái)，柔性器件因重量輕、成本低、厚度薄且易于使用的特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注，基于柔性薄膜制備的液晶調(diào)光器件可以直接安裝在原有的玻璃窗口上，避免了拆除窗戶(hù)重新安裝帶來(lái)的資源浪費(fèi)［73］。然而，柔性PSLC 薄膜的制備還面臨著許多棘手問(wèn)題。首要問(wèn)題就是如何在柔性基板上制備垂直取向?qū)印SLC 的垂直取向?qū)油ǔＰ枰?00 °C 以上的高溫條件加熱聚酰胺酸（Polyamide acid，PAA）獲得。如此高的溫度會(huì)破壞柔性膜的結(jié)構(gòu)，限制了PSLC 的制備。Zhang 等人［74］發(fā)現(xiàn)，低溫處理的PAA 既不會(huì)影響對(duì)液晶分子的垂直取向效果，也不會(huì)對(duì)PSLC體系中的聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)造成影響，這一研究結(jié)果為柔性PSLC 膜的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，對(duì)于如何增加聚合物網(wǎng)絡(luò)和基底及取向?qū)又g的粘附力的問(wèn)題，Zhang 等人［75］進(jìn)一步利用混合硅烷（長(zhǎng)鏈硅烷和含有甲基丙烯酸酯官能團(tuán)的硅烷）在聚合物網(wǎng)絡(luò)和取向?qū)又g引入化學(xué)鍵加以解決（圖7）。初步結(jié)果表明，聚合物網(wǎng)絡(luò)和基底（包括取向?qū)樱┲g的粘附程度得到提升。

圖7 使用（a）聚酰亞胺和（b）雙功能硅烷制備取向?qū)拥腜SLC 的聚合物網(wǎng)絡(luò)橫截面SEM 圖［75］Fig.7 Cross-sectional SEM images of the polymer networks for PSLC with alignment layers fabricated using（a）polyimide and（b）bifunctional silanes［75］

除上述問(wèn)題之外，如何提高聚合物網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，以防止柔性膜在彎曲過(guò)程中聚合物網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變形及斷裂，同時(shí)保證PSLC 的電光性能，也是研究人員需要關(guān)注的問(wèn)題。相信柔性PSLC膜一旦成功開(kāi)發(fā)，將會(huì)加速推動(dòng)智能窗等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

2.3 聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶調(diào)光器件

膽甾相液晶也稱(chēng)螺旋狀液晶，它具有層狀的分子排列結(jié)構(gòu)，分子長(zhǎng)軸平行于層平面［76］，層與層之間分子長(zhǎng)軸取向一般相差15°，各層分子相互疊加形成螺旋結(jié)構(gòu)［77］。分子的取向在旋轉(zhuǎn)360°后復(fù)原，兩個(gè)取向相同的最小層間距稱(chēng)為螺距（Pitch，P）［78］。CLC 具有獨(dú)特螺旋結(jié)構(gòu)，能對(duì)入射光進(jìn)行選擇性反射［79-80］。通常將向列相液晶與手性摻雜劑均勻混合來(lái)獲得膽甾相液晶［81］，膽甾相液晶反射與手性摻雜劑手性相同的圓偏振光。根據(jù)布拉格反射條件，CLC 的反射中心波長(zhǎng)λ為：

其中，navg為平均折射率，no為尋常光折射率，ne為非尋常光折射率。反射帶寬Δλ為：

其中，Δn為液晶的雙折射率。膽甾相液晶的螺距由手性摻雜劑的螺旋扭曲力常數(shù)（Helical Twisting Power，HTP，μm-1）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定：

當(dāng)調(diào)整螺距使CLC 的反射中心在可見(jiàn)光區(qū)域時(shí)，基于此制備的PSCLC 調(diào)光器件無(wú)需摻雜染料即可通過(guò)反射自然光實(shí)現(xiàn)彩色效果。利用CLC 選擇性反射的特性和織構(gòu)的改變，PSCLC實(shí)現(xiàn)了透明與不透明兩種狀態(tài)之間的可逆切換［82-84］。在平行取向?qū)拥淖饔孟拢戠尴嘁壕幱谄矫鎽B(tài)織構(gòu)，呈現(xiàn)反射帶顏色；在施加低電壓時(shí)，膽甾相液晶結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)處于焦錐織構(gòu)，強(qiáng)烈散射入射光，呈現(xiàn)模糊效果［85-86］。Mo 等人［87］利用反射中心在650 nm（藍(lán)色）的CLC 體系和PSCLC 體系，開(kāi)發(fā)了具有4 種穩(wěn)定光學(xué)狀態(tài)的雙層結(jié)構(gòu)調(diào)光器件，如圖8 所示。上層為平面態(tài)的PSCLC，下層為平面態(tài)的CLC，使兩種體系在空間上進(jìn)行疊加。在交流電作用下，智能窗可以實(shí)現(xiàn)在彩色透明狀態(tài)（反射狀態(tài)）、彩色不透明狀態(tài)（反射和散射共存狀態(tài)）、無(wú)色不透明狀態(tài)（僅散射狀態(tài)）和無(wú)色透明狀態(tài)（透明非反射狀態(tài)）之間可逆切換。并且由于前3 種狀態(tài)的維持不需要持續(xù)施加電壓，因此該調(diào)光器件非常節(jié)能。

圖8 具有4 種光學(xué)狀態(tài)的多穩(wěn)態(tài)智能窗的工作原理示意和實(shí)物圖［87］Fig.8 Schematic representation of the working principle and images of the multistable CLC windows with four optical states based on the bilayer structure consisting of a polymer-stabilized CLC layer and a non-polymer stabilized CLC layer［87］

在太陽(yáng)光譜中，紅外區(qū)域超過(guò)75%的熱量來(lái)自波段為780～1 100 nm 的近紅外光。通過(guò)調(diào)整CLC 螺距的大小，PSCLC 調(diào)光器件可以在不影響可見(jiàn)光入射的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光波段的反射調(diào)控，從而有效降低夏季室內(nèi)溫度，減少制冷系統(tǒng)及 照明系 統(tǒng)的能 耗［1，88］。但是由 于CLC 原始反射帶寬較窄，僅100 nm 左右［89］，且在反射帶處最大只有50% 的反射率，基于此制備的PSCLC 調(diào)光器件遠(yuǎn)達(dá)不到控溫器件的要求［90-91］。如何使PSCLC 在近紅外區(qū)域具有寬的反射帶，以及如何突破50%的極限反射率實(shí)現(xiàn)超反射，是PSCLC 調(diào)光器件實(shí)現(xiàn)控溫效果要解決的問(wèn)題。

研究人員對(duì)如何拓寬PSCLC 反射帶寬展開(kāi)了一系列研究，發(fā)現(xiàn)疊加法是拓寬反射帶寬最簡(jiǎn)單的方法：直接將具有不同螺距的窄反射帶寬的PSCLC 器件進(jìn)行疊加，利用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反射帶的拓寬。其優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡(jiǎn)單，反射波長(zhǎng)中心及反射帶寬范圍可調(diào)控。但是缺點(diǎn)非常明顯：多層玻璃結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的光吸收效應(yīng)，并且增加調(diào)光器件的霧度［92］。這從另一個(gè)角度證明了在PSCLC 中螺距的非均勻分布或者形成螺距梯度是實(shí)現(xiàn)反射帶拓寬的重要機(jī)制［93-94］。

Hu 等 人［95］利用離 子拖拽效應(yīng)，在單層PSCLC 中形成了螺距梯度，制備了具有480 nm反射帶寬的紅外反射調(diào)光器件。在紫外光照誘導(dǎo)單體緩慢聚合過(guò)程中，引入直流電場(chǎng)輔助聚合，可以使帶有極性陽(yáng)離子的低聚物在陽(yáng)離子的拖拽效應(yīng)下向直流電源的負(fù)極移動(dòng)，并在低聚物聚合形成長(zhǎng)鏈的過(guò)程中對(duì)電源負(fù)極側(cè)的螺距進(jìn)行壓縮，對(duì)正極側(cè)的螺距進(jìn)行拉伸，導(dǎo)致PSCLC內(nèi)形成沿電場(chǎng)方向的螺距梯度。聚合完成并去除直流電壓后，可以觀(guān)察到螺距的梯度特征被聚合物網(wǎng)絡(luò)固定，且不可恢復(fù)。并且，隨著輔助聚合直流電場(chǎng)強(qiáng)度從0 增大到3.2 V/μm，低聚物對(duì)螺距的壓縮及拉伸程度更加劇烈，PSCLC 的反射帶寬更寬，如圖9 所示。該工作論證了在PSCLC 中，離子在外加電場(chǎng)的作用下帶動(dòng)低聚物/低聚物形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)是引起CLC螺距變化的根本原因。

圖9 （a）PSCLC 經(jīng)不同直流電場(chǎng)處理后的透射光譜圖；（b）PSCLC 的反射帶寬隨聚合直流電場(chǎng)的變化［95］。Fig.9 （a）Transmission spectra of polymer-stabilized cholesteric liquid crystal（PSCLC）cells treated with different in situ electric fields；（b）Reflection bandwidth of the PSCLC cells versus in situ direct current（DC）electric field［95］.

這種在近紅外區(qū)域具有寬反射帶的PSCLC器件在節(jié)能方面展現(xiàn)出巨大的潛力，但是這種反射帶寬被固定的PSCLC 調(diào)光器件是靜態(tài)且不可調(diào)節(jié)的，實(shí)用性低，在天氣寒冷需要供暖的冬季并不適用，因此制備可動(dòng)態(tài)調(diào)控反射寬帶的PSCLC是必要的。

Nemati 等人［96］使用直流電源實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)性液晶的PSCLC 反射帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)控（圖10），探討了反射帶增寬的原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了原理的可行性和正確性。對(duì)聚合后的PSCLC 施加直流電，發(fā)現(xiàn)反射帶寬有明顯增加，且在臨界電壓范圍內(nèi)，反射帶寬與所施加的直流電壓電壓值呈現(xiàn)正反饋增長(zhǎng)。這是因?yàn)樵谥绷麟妶?chǎng)下，聚合物網(wǎng)絡(luò)因捕獲極性陽(yáng)離子而帶電，在靜電力的作用下陽(yáng)離子帶動(dòng)聚合物網(wǎng)絡(luò)向電源負(fù)極一側(cè)的平移運(yùn)動(dòng)。聚合物網(wǎng)絡(luò)的平移運(yùn)動(dòng)使得原本螺距均勻分布排列的CLC 空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，負(fù)極一側(cè)的CLC 螺距被聚合物網(wǎng)絡(luò)壓縮變短，正極一側(cè)的CLC 螺距被聚合物網(wǎng)絡(luò)拉伸變長(zhǎng)，從而形成螺距梯度。

圖10 PSCLC 的工作原理及實(shí)物圖［97］Fig.10 Schematic representation of the working principle and images of PSCLCs in their OFF/ON states［97］

根據(jù)該原理，聚合物網(wǎng)絡(luò)和離子密度是控制PSCLC 反射帶展寬效應(yīng)的兩個(gè)主要因素。Khandelwal 等人［98］使用可光聚合單體和乙二醇雙交聯(lián)劑來(lái)制備PSCLC 液晶混合液，經(jīng)紫外光照射誘導(dǎo)單體聚合反應(yīng)后，在交聯(lián)劑的作用下，單體聚合形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度增大，可以捕獲更多的陽(yáng)離子。在直流電場(chǎng)作用下，聚合物網(wǎng)絡(luò)的位移程度增大，PSCLC 的反射帶展寬效應(yīng)增強(qiáng)，最終使器件獲得了1 100 nm 的反射帶。

Yu 等人［99］系統(tǒng)地改變了單體的官能度（fav），探索其對(duì)PSCLC 反射帶展寬效應(yīng)的影響。單體官能度與單體C==C 鍵的數(shù)目（fi）、濃度（mi）及分子量（Mi）有關(guān)，具體計(jì)算公式如下：

通過(guò)調(diào)節(jié)單體RM23（fi=1）與單體RM257（fi=2）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改變PSCLC 的單體官能度。隨著RM23 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增大到10.8%，單體官能度從2 降低至1.25，通過(guò)掃描電鏡SEM觀(guān)察聚合物結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)聚合物纖維的橫向尺寸變大，如圖11（b）所示。當(dāng)施加直流電場(chǎng)時(shí)，橫向尺寸更大的聚合物網(wǎng)絡(luò)可以在表面捕獲更多的極性陽(yáng)離子，從而在靜電力作用下發(fā)生更大程度的位移，PSCLC 反射帶寬隨之增加。這一結(jié)果表明，單體官能度對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度有重要影響。單體官能度高意味著反應(yīng)位點(diǎn)多，單體的聚合反應(yīng)速率加快，形成交聯(lián)密度大的聚合物網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)單體官能度過(guò)低時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度小、彈性低，PSCLC 反射帶寬減小。通過(guò)調(diào)整液晶的材料配比，可以加劇聚合物網(wǎng)絡(luò)的平移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而增大電響應(yīng)PSCLC 的反射帶寬。

圖11 （a）RM257 與RM23 單體的結(jié)構(gòu)；（b）不同單體官能度下聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片［99］。Fig.11 （a）Structure of RM257 and RM23 monomer；（b）SEM images of polymer network structure of different monomer functionality［99］.

光引發(fā)劑在單體自由基引發(fā)的鏈聚合反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。Yu 等人進(jìn)一步改變光引發(fā)劑的濃度，研究其對(duì)PSCLC 反射帶展寬效應(yīng)的影響。在20 V 的直流電場(chǎng)下，當(dāng)光引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到1.5%時(shí)，PSCLC 的反射帶寬逐漸增大。繼續(xù)增大光引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)到3.0%，反射中心發(fā)生紅移，反射帶沒(méi)有展寬。觀(guān)察聚合物網(wǎng)絡(luò)形態(tài)及纖維束的平均橫向尺寸，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有顯著差異。測(cè)量PSCLC 的阻抗譜，發(fā)現(xiàn)阻抗隨著光引發(fā)劑濃度的增大（從0.5%增加到1.5%）而減小，離子密度增大，更多的陽(yáng)離子被聚合物網(wǎng)絡(luò)捕獲。在相同的靜電力下，聚合物網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更大的位移，從而加強(qiáng)PSCLC 反射帶的展寬效應(yīng)。這一結(jié)果表明，光引發(fā)劑通過(guò)影響離子密度的大小來(lái)影響反射帶的展寬。當(dāng)進(jìn)一步增大光引發(fā)劑濃度時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)由于捕獲了太多的陽(yáng)離子，在靜電力的作用下移動(dòng)到電源負(fù)極側(cè)并發(fā)生不可逆的形變。因此對(duì)于電響應(yīng)PSCLC 調(diào)光器件，可以通過(guò)摻雜技術(shù)調(diào)控離子密度，增大PSCLC 的反射帶寬。

除此之外，Lee 等人［100-101］發(fā)現(xiàn)在PSCLC 器件的制備中，選擇合適的厚度可以在一定程度上增大反射帶的展寬，改善其電光性能。施加直流電壓，當(dāng)器件厚度小于10 μm 時(shí)，PSCLC 的反射帶紅移；增大厚度，PSCLC 反射帶紅移并發(fā)生展寬；進(jìn)一步增大厚度，反射帶藍(lán)移。

雖然這種在電響應(yīng)下具有寬的紅外反射帶的PSCLC 調(diào)光器件在節(jié)能方面展現(xiàn)出巨大的潛力，然而，需要長(zhǎng)時(shí)間通電以維持紅外反射狀態(tài)的PSCLC 調(diào)光器件是不適用于炎熱地區(qū)的，這會(huì)帶來(lái)大量的電力能耗。所以，在初始狀態(tài)具有寬的紅外反射帶，并能夠在電場(chǎng)調(diào)控下使反射帶消失的PSCLC 調(diào)光器件更能夠滿(mǎn)足炎熱地區(qū)對(duì)紅外光的調(diào)控需求，并節(jié)省控溫系統(tǒng)的電力能源?；诖诵枨螅芯咳藛T采用正性液晶材料、光吸收劑、可光聚合單體、手性摻雜劑組成液晶混合液，在交流電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下使PSCLC 調(diào)光器件反射帶寬減小。

Khandelwal等人［102］制備了反射帶寬從620 nm減少到108 nm 的PSCLC 調(diào)光器件，如圖12 所示。由于液晶混合液中存在光吸收劑，紫外光在兩個(gè)平行電極之間形成光強(qiáng)梯度?？拷庠磦?cè)的上基板處光強(qiáng)較強(qiáng)，單體反應(yīng)速率快，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)密度較大。遠(yuǎn)離光源側(cè)的下基板處光強(qiáng)較弱，單體反應(yīng)速率慢，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)密度較小。這種密集程度不同的聚合物網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致螺距在空間上分布不均勻。在交流電場(chǎng)的作用下，正性的液晶分子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)沿平行于電場(chǎng)的方向重新定向排列，CLC 的選擇性反射特性逐漸減弱，PSCLC 的反射帶寬開(kāi)始減小。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到10.6 V/μm 時(shí)，反射帶寬從620 nm 減小到僅有108 nm。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種可實(shí)現(xiàn)零反射［103］的PSCLC 調(diào)光器件。在交流電場(chǎng)的作用下，PSCLC 反射帶寬從700 nm 減少至0 nm，CLC 從平面態(tài)切換為各向同性態(tài)，不具有螺旋結(jié)構(gòu)，選擇性反射特性消失。

圖12 （a）聚合時(shí)的螺距和交聯(lián)密度的變化示意圖［102］；對(duì)PSCLC 器件施加交流電壓（b）前（插圖：PSCLC 實(shí)物圖）［102］和（c）后的透射光譜圖［102］。Fig.12 （a）Schematic variation of pitch and cross-linking density［102］；（b）Before and（c）after applying PSCLC AC voltage to the PSCLC device［102］.

拓寬PSCLC 紅外反射器件的反射帶寬，可以將更大波長(zhǎng)范圍的熱量反射出室內(nèi)。提高PSCLC 在紅外反射帶處的反射率，也可以將更多的熱量反射出室外，降低室內(nèi)溫度。CLC 在反射帶處的反射率最大僅有50%，針對(duì)如何突破傳統(tǒng)CLC 的極限反射率實(shí)現(xiàn)超反射，研究人員開(kāi)展了一系列的研究工作。

Khandelwal［104］提出了 一種實(shí) 現(xiàn)超反 射的簡(jiǎn)單方式：利用左、右旋向的PSCLC 器件相互疊加，可以使紅外反射帶的反射率接近95%。這一方式也證明了在PSCLC 中形成兩種不同旋向的CLC 是實(shí)現(xiàn)超反射的重要機(jī)制［105-107］。研究人員常利用聚合物網(wǎng)絡(luò)的記憶效應(yīng)來(lái)制備超反射器件。先將右旋CLC 與可光聚合單體均勻混合，單體分子在紫外光照下聚合形成復(fù)制了CLC 右旋特性的聚合物網(wǎng)絡(luò)。由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的記憶效應(yīng)，將右旋的小分子液晶用溶劑去除后，聚合物網(wǎng)絡(luò)仍舊保持聚合后的右旋結(jié)構(gòu)［108］。

Du 等人［109］利用聚合物網(wǎng)絡(luò)的記憶效應(yīng)，制備了在近紅外波段具有超反射率的PSCLC 調(diào)光器件，其制備過(guò)程如圖13 所示。按照上述方式得到10 μm 厚的右旋聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與空白電極基板重新組裝成一個(gè)厚度為20 μm 的液晶盒，并填入左旋CLC（該左旋CLC 的反射中心與上述右旋CLC 的反射中心相同）。由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的記憶效應(yīng)以及對(duì)液晶分子的取向作用，使得上層右旋聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在填入左旋的CLC 后仍舊保持右旋特性。下層只有左旋的CLC。整個(gè)PSCLC 器件具有兩種不同的旋向結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超反射。但是該超反射器件的紅外反射帶寬只有170 nm，控溫效果甚微，并且制作過(guò)程繁瑣，不利于實(shí)際應(yīng)用。

圖13 PSCLC 超反射器件制備過(guò)程。（a）右旋PSCLC；（b）右旋聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；（c）填入具有相反旋向的CLC 得到的超反射器件［109］。Fig.13 Schematic of fabrication process of superreflection device.（a）Original CLC sample；（b）Right-handed polymer network structure；（c）Filled with CLC with opposite rotation［109］.

基于PSCLC 制備的紅外反射調(diào)光器件，在建筑節(jié)能方面展示出巨大的應(yīng)用前景。但是有限的反射帶寬以及反射帶寬處有限的反射率，使得PSCLC 的控溫效果無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)能需求。制備既具有寬反射帶又具有超反射率的PSCLC 紅外反射器件，既具有挑戰(zhàn)性同時(shí)也具有實(shí)用價(jià)值和意義。

2.4 其他液晶材料調(diào)光器件

基于液晶材料制備的調(diào)光器件由于沒(méi)有顏色所以對(duì)比度較低。Sun 等人［110］發(fā)現(xiàn)，在液晶材料中摻雜非二色性染料可以獲得彩色調(diào)光器件，但由于非二色性染料與液晶的兼容性不高，導(dǎo)致在開(kāi)/關(guān)態(tài)時(shí)均呈現(xiàn)一定的顏色，對(duì)比度較低。當(dāng)摻雜具有取向吸收特性的二色性染料時(shí)，二色性染料與液晶分子具有一定的協(xié)調(diào)性。在不施加電壓時(shí)，染料與液晶分子朝著同一個(gè)方向排列處于單疇狀態(tài)，呈現(xiàn)較淺的顏色；施加電壓后，染料和液晶分子均處于多疇狀態(tài)，呈現(xiàn)較深的顏色，有效地提升了PSLC 器件的對(duì)比度。在此基礎(chǔ)上，將具有互補(bǔ)吸收特性的非二向色性染料和二向色性染料混合，可以通過(guò)減色法消除PSLC在關(guān)態(tài)時(shí)的顏色，進(jìn)一步提升了器件的對(duì)比度。彩色的智能調(diào)光器件可以有效應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是在建筑美學(xué)領(lǐng)域的智能窗，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖14 （a）摻雜混合染料的PSLC 的透光率；（b）PSLC 器件摻雜混合染料的實(shí)物圖［110］。Fig.14 （a）Image of a colored PSLC in the OFF/ON states；（b）Physical diagram of a PSLC doped with a PSLC device［110］.

膽甾相液晶可以反射與其旋向相同的圓偏振光，以右旋膽甾相液晶為例，若右旋圓偏振光入射時(shí)，則產(chǎn)生光散射；若左旋圓偏振光入射時(shí)，則產(chǎn)生光透射。Baliyan 等人［111］發(fā)現(xiàn)，在膽甾相液晶中摻雜二色性染料，平行于基板排列的染料分子可以吸收平面態(tài)膽甾相液晶的透射光，解決了膽甾相液晶智能窗在電壓關(guān)閉狀態(tài)下的透射問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上制備了一種可以在無(wú)色透明狀態(tài)、綠色不透明反射狀態(tài)（電壓緩慢關(guān)閉）和深灰色模糊散射狀態(tài)（電壓迅速關(guān)閉）之間可逆切換的智能窗，如圖15 所示。在80 V 的電場(chǎng)下，二色性染料和液晶分子垂直于基板排列，此時(shí)染料的光吸收效應(yīng)最弱，智能窗呈現(xiàn)良好的透明效果；當(dāng)緩慢關(guān)閉外加電壓時(shí)，二色性染料分子和平面態(tài)的膽甾相液晶平行于基板排列，二色性染料可以有效地吸收正向入射和反向入射的散射光及與膽甾相液晶螺旋結(jié)構(gòu)相反的透射光，使智能窗呈現(xiàn)綠色不透明效果；當(dāng)迅速關(guān)閉外加電壓時(shí)，二色性染料分子和焦錐態(tài)的膽甾相液晶在基板內(nèi)隨機(jī)分布，可以散射正向入射和反向入射的光，智能窗呈現(xiàn)深灰色的模糊效果。

圖15 具有3 種光學(xué)狀態(tài)的二色性染料摻雜的智能窗在（a）電壓打開(kāi)狀態(tài)時(shí)、（c）電壓緩慢關(guān)閉狀態(tài)時(shí)、（e）電壓迅速關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的原理圖及其（b）、（d）、（f）POM 圖（插圖：實(shí)物圖）［111］。Fig.15 Dichroic dye with three optical states of（a）voltage on，（c）voltage off slowly，（e）voltage off quickly；and（b），（d），（f）POM diagram（illustration：physical diagram）［111］.

二色性染料摻雜液晶的智能窗在和隱私保護(hù)方面得到了廣泛應(yīng)用，摻雜二色性染料可以提高智能窗的對(duì)比度，也為通過(guò)摻雜混合染料來(lái)制作彩色智能窗提供了一種可行的方法。

基于液晶-聚合物復(fù)合材料制備的調(diào)光器件的主要缺點(diǎn)是聚合物網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞問(wèn)題。因此研究人員將目光放在不含有聚合物材料體系的調(diào)光器件的研究上。20 世紀(jì)60 年代，研究人員首次發(fā)現(xiàn)了基于小分子液晶體系的電流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性（Electrohydrodynamic instability of liquid crystals，EHDI）材料體系［112］。不施加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子在取向?qū)拥淖饔孟鲁粋€(gè)方向排列，呈現(xiàn)透明狀態(tài)；當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子受到電場(chǎng)的刺激會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)性液晶的分子會(huì)垂直于電場(chǎng)方向排列，正性液晶的分子會(huì)平行于電場(chǎng)方向排列。EHDI 材料體系只包含離子雜質(zhì)和液晶分子，在電場(chǎng)的作用下會(huì)在液晶內(nèi)部產(chǎn)生離子電流，導(dǎo)致液晶出現(xiàn)宏觀(guān)的流動(dòng)。在外加電壓或者電場(chǎng)達(dá)到一定閾值時(shí)，液晶的流動(dòng)會(huì)變得不穩(wěn)定，入射光被強(qiáng)烈散射，呈現(xiàn)模糊狀態(tài)［113］。

雖然EHDI 器件不存在聚合物長(zhǎng)期通電的疲勞問(wèn)題，提高了器件的穩(wěn)定性，但在使用過(guò)程中，離子會(huì)在電極上發(fā)生聚集，致使器件離子濃度降低甚至引發(fā)短路問(wèn)題，限制了EHDI 的發(fā)展。為了解決這些問(wèn)題，Zhan 等人［114］提出用兩性離子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陽(yáng)離子型電解質(zhì)作為離子摻雜劑。兩性離子的正荷中心通常表現(xiàn)為堿性，而負(fù)電荷中心為酸性，這一特殊結(jié)構(gòu)特征使它在溶液中既有失去一個(gè)質(zhì)子的能力，又有吸收一個(gè)質(zhì)子的能力。由于兩性離子在結(jié)構(gòu)上的不可分離，將其替換陽(yáng)離子型電解質(zhì)十六烷基三甲溴化銨可以減少因?yàn)殡姌O吸附而造成的離子損失，有利于減少離子在電極上的積聚，延長(zhǎng)EHDI智能窗的壽命。

圖16 （a）基于EHDI 的智能窗的工作原理示意圖；（b）兩性離子Reichardt’s dye 的化學(xué)結(jié)構(gòu)；（c）EHDI智能窗的實(shí)物圖［114］。Fig.16 （a）Schematic representation of the operating principle of the EHDI smart window in the OFF/ON state；（b）Chemical structure of the zwitterionic Reichardt’s dye；（c）Image of the EHDI based on the zwitterion.

通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，EHDI 調(diào)光器件可以在透明狀態(tài)和光散射的不透明狀態(tài)之間可逆切換數(shù)千次，而不影響其電光特性，具有良好的穩(wěn)定性。然而，由于EHDI 的工作原理是離子雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，這會(huì)在器件內(nèi)部產(chǎn)生不可忽視的電流，并導(dǎo)致壓降問(wèn)題出現(xiàn)，所以仍需要更多的研究工作推進(jìn)此類(lèi)調(diào)光技術(shù)的發(fā)展。

3 總 結(jié)

基于液晶-聚合物復(fù)合材料制備的調(diào)光器件近年來(lái)因響應(yīng)靈活、適用范圍廣、光學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)吸引了研究人員的關(guān)注。本文簡(jiǎn)要總結(jié)了基于液晶材料的電響應(yīng)調(diào)光器件的最新進(jìn)展，主要介紹了3 種調(diào)光器件（PDLC，PSLC、PSCLC）及其工作原理等。PDLC 的調(diào)光器件利用液晶折射率與聚合物網(wǎng)絡(luò)折射率的是否匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域的動(dòng)態(tài)調(diào)控，有適用范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但是需要加電變透明，并且由于聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%，存在工作電壓高等缺點(diǎn)，限制了其使用領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，將聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至10%以下制備出了PSLC。相較于PDLC，PSLC 的調(diào)光器件具有優(yōu)良的電光性能，其工作電壓低，并朝著柔性膜的方向發(fā)展，這大大增加了PSLC 調(diào)光器件的普適性。并且，應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的實(shí)際要求，PSLC 調(diào)光器件的研究重心開(kāi)始向調(diào)光控溫等領(lǐng)域拓展。PSCLC 可以通過(guò)控制膽甾相液晶螺距的大小來(lái)控制反射帶所在的光波區(qū)域。當(dāng)將膽甾相液晶的反射帶從可見(jiàn)光區(qū)域調(diào)制到紅外區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)攜帶大量熱量的紅外光線(xiàn)的反射，可以有效降低室內(nèi)溫度，基于PSCLC 的紅外反射調(diào)光器件在建筑節(jié)能方面表現(xiàn)出巨大的潛力。EHDI 調(diào)光器件由于不含有聚合物，所以在長(zhǎng)期穩(wěn)定使用方面勝過(guò)液晶-聚合物調(diào)光器件。為了豐富調(diào)光器件的功能性，可以通過(guò)摻雜混合染料來(lái)制作彩色器件，并進(jìn)一步提高了對(duì)比度。但是，調(diào)光器件基板的耐久性、環(huán)境友好及穩(wěn)定性等方面仍舊需要進(jìn)一步的深入研究。調(diào)光器件的出現(xiàn)為新型智能窗的出現(xiàn)提供了無(wú)限可能，為建設(shè)節(jié)能低碳、綠色生態(tài)、集約高效的綠色建筑提供選擇，相信在不久的將來(lái)，會(huì)有更多的研究工作推進(jìn)調(diào)光器件的發(fā)展。