一种二维蛭石材料液晶及其电致光调制器件

本发明属于光电材料，特别涉及一种二维蛭石材料液晶及其电致光调制器件。

背景技术：

1、上世纪60年代，世界上诞生了第一块液晶显示面板。此后，基于液晶材料的电致光调制器件迅猛发展，广泛应用于电视、手机等个人电子消费品的制造，成为信息社会的一大支柱。现有液晶材料面临如下挑战，(1)现有液晶材料主要为人工合成的有机小分子和高分子材料，价格昂贵；且有机液晶分子结构中通常存在苯环和氰基、卤素等取代官能团，对环境和人体有潜在风险。(2)现有液晶材料器件的操纵电场强度较高，一般≥1vμm-1，灵敏度有待进一步提升。因此，开发新型液晶材料，探索具有高灵敏电控能力的电致光调制器件对发展下一代液晶光学器件，拓宽液晶材料和器件的应用场景具有重要意义。

2、现有技术中，基于无机二维材料的溶致液晶被认为具有灵敏度高等潜在优势。其中，二维矿物材料液晶受到科学界和产业界的关注，其源自天然、价格低廉、易于扩大化生产。然而，目前的二维矿物材料液晶所使用的活性材料厚度较高、几何各向异性较小，并未充分发挥二维结构的优势，亦无法满足器件对高灵敏电控能力的要求。

3、综上，研究人员亟需开发一种具有纳米级厚度、大几何各向异性的新型二维矿物材料液晶，且尽量降低生产成本，同时开发具有高灵敏电控能力的电致光调制器件，以推动液晶光学领域的发展。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种二维蛭石材料液晶及其制备方法，并开发其电致光调制器件，所述二维蛭石材料液晶是具有纳米级厚度、大几何各向异性的新型二维矿物材料液晶。本发明无需合成有机液晶分子，使用的原料组分成本低，有利于液晶材料的推广应用。

2、本发明的第一方面提供一种二维蛭石材料液晶。

3、具体的，一种二维蛭石材料液晶，包括二维蛭石材料和分散剂。

4、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料的层数≤20层，例如1-18层。

5、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料的几何各向异性比，即其横向尺寸与厚度的比值≥102，例如几何各向异性比为103-105。

6、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料的具体层数为1-18层，其中，单层二维蛭石材料的比例为20-100％，五层以下二维蛭石材料的比例为40-100％，二维蛭石材料的平均几何各向异性比为100-5000。

7、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料的具体层数可以是1-7层，单层二维蛭石材料的比例约为70％，五层以下(含单层)二维蛭石材料的比例约为97％，二维蛭石材料的平均几何各向异性比约为1500。

8、根据本发明的一些实施方式，所述分散剂为无色透明试剂，例如水、甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇与水的混合液等。

9、根据本发明的一些实施方式，所述分散剂为水、乙二醇与水的混合液。

10、所述二维蛭石材料与分散剂组成的稳定分散液(即二维蛭石材料液晶)具有一定的光学特征，所述光学特征指该二维蛭石材料液晶具有浓度致相转变行为。其含义是，低分散浓度的二维蛭石材料液晶不具有偏光特性；高分散浓度的二维蛭石材料液晶能够形成液晶有序相，具有偏光特性。

11、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料液晶的分散浓度≤20vol％；且所述二维蛭石材料液晶发生液晶学相转变时的分散浓度≤2vol％。

12、根据本发明的一些实施方式，所述浓度致相转变行为，发生相转变时二维蛭石材料的分散浓度≤2vol％。

13、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料液晶的分散浓度为0.08vol％时不具有偏光特性；分散浓度为0.60vol％时，形成液晶有序相，具有偏光特性。

14、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料液晶发生相转变时的分散浓度介于0.08vol％至0.60vol％。

15、根据本发明的一些实施方式，所述二维蛭石材料液晶的离子强度≤2.0×10-3m，甚至不大于10-4m(m表示mol/l)。

16、本发明的第二方面提供一种二维蛭石材料液晶的制备方法。

17、具体的，一种二维蛭石材料液晶的制备方法，包括以下步骤：

18、将块体蛭石置于含阳离子的分散剂中，加热搅拌，使得块体蛭石膨胀剥离，然后进行去离子化处理，分离纯化，得到所述二维蛭石材料液晶。

19、根据本发明的一些实施方式，所述蛭石呈块状。

20、根据本发明的一些实施方式，所述蛭石为膨胀蛭石。

21、根据本发明的一些实施方式，所述阳离子选自碱金属阳离子、碱土金属阳离子、有机阳离子中的至少一种。

22、根据本发明的一些实施方式，所述阳离子选自锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子中的至少一种。

23、根据本发明的一些实施方式，所述含阳离子的分散剂中，阳离子的浓度为0.1-5.5m，例如0.1m、0.5m、1m、1.5m、2m、3m、4m、5m。

24、根据本发明的一些实施方式，所述加热搅拌时的温度为40-90℃，加热搅拌的时间为12-48小时。

25、根据本发明的一些实施方式，所述去离子化处理包括离心或透析操作。去离子化处理的目的是降低二维蛭石材料液晶中的离子浓度。

26、根据本发明的一些实施方式，所述去离子化处理是一种离心操作，离心参数具体可选为5000-30000rpm，30-60分钟。二维蛭石材料液晶的离子强度可降低至9.3×10-4m。

27、根据本发明的一些实施方式，所述将蛭石置于含阳离子的分散剂中，加热搅拌，然后进行去离子化处理的步骤可重复进行。即重复用含阳离子的分散剂浸泡、加热搅拌，然后进行去离子化处理。

28、根据本发明的一些实施方式，所述分离纯化采用离心、静置沉淀等方法，直至二维蛭石材料液晶中二维蛭石材料的几何特征符合上述描述。

29、根据本发明的一些实施方式，分离纯化方法具体可选为离心，离心参数具体可选为1000-3000rpm，5-20分钟。

30、本发明的第三方面提供一种二维蛭石材料液晶的应用。

31、具体的，一种电致光调制器件，活性材料选用上述二维蛭石材料液晶。

32、根据本发明的一些实施方式，一种电致光调制器件，包括液晶盒、两个电极、背光源、起偏器、检偏器和检测器；其中，液晶盒中置有上述二维蛭石材料液晶。

33、上述电致光调制器件，通过电场对透射光的强度、偏振及光谱等光学信号开展动态调制。

34、上述电致光调制器件具有灵敏的电控能力，电控能力可以通过电光克尔系数或操纵电场表述。

35、根据本发明的一些实施方式，所述电致光调制器件以电光克尔系数计，所述电致光调制器件的操纵能力≥10-5m v-2；或以操纵电场计，所述电致光调制器件的操纵电场≤0.1vμm-1。

36、根据本发明的一些实施方式，所述电致光调制器件具有宽光学可调区间，相位调制能力达到π及以上，能够实现可见光颜色调制。

37、根据本发明的一些实施方式，所述电致光调制器件具体可选为一种透射式液晶单元。所述透射式液晶单元包括置有二维蛭石材料液晶的液晶盒和两个电极，电极设置在所述液晶盒的两侧用于向二维蛭石材料液晶施加电场。入射光从所述液晶盒的第三侧以与所述电场正交的方向射入并透射穿出。所述入射光具体可选为单色线偏振光、连续谱可见光等中的至少一种。

38、根据本发明的一些实施方式，所述电致光调制器件的电光克尔系数具体可以是3.0×10-4mv-2，操纵电场具体可以是0.01vμm-1。相位调制能力可以达到3π，能够在不依赖于滤色片的条件下产生黄色、紫色、蓝色等干涉颜色。

39、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

40、(1)本发明所述二维蛭石材料液晶是二维蛭石材料与分散剂组成的稳定分散液，是具有纳米级厚度、大几何各向异性的新型二维矿物材料液晶。且本发明无需合成有机液晶分子，使用的原料组分成本低，有利于液晶材料的推广应用。

41、(2)本发明所述制备方法，通过块体蛭石膨胀剥离，然后进行去离子化处理，分离纯化，得到所述二维蛭石材料液晶，通过上述过程，可使得所述二维蛭石材料液晶具有纳米级厚度、大几何各向异性。

42、(3)本发明所述二维蛭石材料液晶的原料源自天然物质、易于扩大化生产，为蛭石材料的功能化、高值化应用提供了一种富有前景的技术路线。同时，二维蛭石材料液晶是一种基于无机材料的新型溶致液晶体系，可用于高性能的电致光调制器件，有益于拓宽液晶光调制器件的应用场景、提升液晶光调制器件的运行效率。