通过直接激光写入纳米光栅实现向列液晶的三维平面对准

《ACS Photonics》：Three-Dimensional Planar Alignment of Nematic Liquid Crystal by Direct Laser Writing of Nanogratings

纳米沟槽对齐、直接激光写入、液晶取向、表面锚定、微纳加工、三维光子器件、 AFM 表征、印刷参数优化、异质结构集成、液态晶体微显示

　　这项研究介绍了一种利用直接激光写入（Direct Laser Writing, DLW）技术在垂直于焦点平面的聚合物表面印刷纳米沟槽，以实现液晶分子的定向排列的新方法。该方法通过在聚合物结构的表面刻印出具有特定周期性和幅度的纳米沟槽，从而在微观尺度上提供高度可控、均匀且稳定的对齐模式。这种技术的优势在于，它不仅能够实现大面积、结构清晰的纳米沟槽印刷，还能通过调整沟槽的幅度和周期性来控制液晶的方位锚定强度。这种能力为未来在微光子器件中实现更精细的分子组织和功能控制提供了可能性。

液晶材料因其独特的光学特性，在光子学、显示技术以及光学存储等领域具有广泛的应用前景。传统的液晶对齐方法通常依赖于聚酰亚胺层的摩擦处理，这种技术虽然成熟，但在某些复杂结构或形状的表面应用时存在局限性。而DLW技术则通过高精度的激光光刻，能够直接在三维空间中构建复杂的结构，为液晶的定向排列提供了新的解决方案。特别是，该方法可以应用于倾斜、弯曲或任意形状的表面，突破了传统技术在对齐方向上的限制。

在实验中，研究者利用DLW技术在聚合物支架的垂直表面上印刷了纳米沟槽，并通过SEM和AFM等手段验证了沟槽的均匀性和结构稳定性。研究结果表明，通过调整印刷参数，如激光的步进距离（H）和切片距离（S），可以控制沟槽的形成方向和周期性。对于垂直沟槽，通过增大步进距离并减小切片距离，可以实现具有精确周期性的垂直沟槽结构。而对于水平沟槽，则通过减小步进距离并调整相邻切片层的起始和结束点偏移，可以形成连续的水平沟槽。

研究还进一步探讨了印刷后的纳米沟槽对液晶对齐效果的影响。通过将液晶封装在带有纳米沟槽的聚合物结构中，并使用偏振光学显微镜观察其光学性能，研究者发现纳米沟槽能够有效地引导液晶分子的取向，从而形成90度的扭曲排列。这种扭曲排列的液晶在通过偏振器时会表现出明显的对比度变化，验证了其对齐效果的有效性。同时，通过调整印刷参数，研究者还能够控制液晶的方位锚定强度，使得其在不同方向上的对齐性能更加灵活和可控。

此外，研究还讨论了不同树脂材料（如IP-Dip2和IPS）对纳米沟槽形成和液晶对齐效果的影响。IP-Dip2因其更高的分辨率和机械稳定性，在形成纳米沟槽时表现出更强的锚定效果，而IPS则在表面光滑度和光学清晰度方面更具优势。通过对比不同树脂材料的实验结果，研究者发现液晶的方位锚定强度与沟槽的幅度和周期性密切相关，并且可以通过优化这些参数来实现所需的对齐效果。

在实际应用方面，研究者展示了如何利用DLW印刷的纳米沟槽结构来制造新型的微光子器件。例如，通过在聚合物支架的垂直表面上印刷具有特定周期性的纳米沟槽，可以构建出具有复杂排列模式的液晶结构，如棋盘图案和交替扭曲与非扭曲区域。这些结构在微光子器件中具有重要的应用价值，能够实现对光的高效调控和定向引导。

研究还提到，随着DLW技术的不断发展，未来可能进一步拓展其应用范围，包括在更复杂的几何结构中实现纳米沟槽的印刷，如螺旋、径向光栅或具有拓扑缺陷的q-板等。此外，研究者还提出了通过改进激光光束的聚焦方式和调整光阻材料的化学性质，以实现更小的特征尺寸和更均匀的沟槽结构。这些改进将有助于构建更精细的三维对齐模式，从而提升微光子器件的性能。

总的来说，这项研究为液晶材料的定向排列提供了一种高效、灵活且可控的新方法，突破了传统技术在对齐方向上的限制。DLW技术的高精度和三维打印能力使得在复杂结构和形状的表面上实现纳米沟槽的印刷成为可能，为未来的微光子器件和光学元件的设计和制造开辟了新的途径。同时，该方法还具有广泛的应用前景，包括在光存储、显示技术以及光通信等领域，有望推动相关技术的发展。