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研究生： 章德威
Chang, Te-Wei
論文名稱： 膠體球於摻雜偶氮染料液晶中之研究
Study of azo-dye doped nematic liquid crystal containing colloids
指導教授： 傅永貴
Fuh, Ying-Guey
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Photonics
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 101
中文關鍵詞： 偶氮染料 、向列型膠體粒子 、光捕捉 、相分離
外文關鍵詞： Azo-dye, Nematic colloids, Optical trapping, Phase separation, DDLC
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    • 偶氮染料因具有奇特的異向性質，近年來越來越受到科學家們的重視。許多研究學者將偶氮染料添加於某些如聚合物與/或液晶等有機物質內形成主客系統進而發現及研究許多因主客互相耦合而產生的有趣現象。本論文主要研究於摻雜偶氮染料的相列型液晶中加入玻璃材質微米等級大小的膠體球，探究照射紫光後偶氮分子產生光致同素異構化反應使之由trans態轉cis態，其轉變過程致液晶發生等溫相變對於摻雜於液晶中之向列型膠體球位移的影響，並將照射之雷射光分為聚焦前及聚焦後來做探究。
    論文將分為兩部分，第一部分探究將波長403 nm的紫光雷射照射在於摻雜偶氮染料的液晶中以引致偶氮分子發生同素異構化反應而使液晶發生等溫相變，液晶從nematic態相變成isotropic態，由於相分離是由成核方式隨時間慢慢增大，且相分離過程兩相位交界面有一拖曳力束縛住向列型膠體球，使之沿著相位交界面的擴張而移動，觀察在不同濃度的偶氮染料摻雜下向列型膠體球受到相位交界面移動的影響。
    第二部分則是透過顯微物鏡將雷射光直徑縮小到微米大小等級，相當於膠體球直徑的5倍大小，藉此觀察更微觀的現象，結果觀察到，由於聚焦後雷射光光強度極高，當液晶受到高能量雷射光照射後，會因為高能量雷射產生熱的原故使照射處液晶形成各向同性態，且由於熱擴散緣故使之面積隨時間增大，並使雷射照光處產生對流，出現凹陷無溶液狀態（即空氣區），當雷射光接觸到因光強產生出來得液晶-空氣的交界時會因液晶表面張力失衡而伴隨著液晶的流動發生，其液晶流由液晶往空氣方向流動，因此在流動過程會帶動周圍膠體球往照光處聚集，移動光點位置則液晶-空氣界面跟著移動，膠體球跟隨著光點移動後的位置聚集，出現像是捕捉膠體球的現象，並對於此捕捉現象探究及分析。

    In this thesis, interactions of laser beam with an azo dye-doped nematic liquid crystal containing micron-sized colloids are investigated. Manipulations of colloids caused by both unfocused and focused laser beams are investigated.
    Key word ：Azo-dye, Nematic colloids, Optical trapping, Phase separation, DDLC.

    摘　要 I Extended Abstract III 致謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XII 圖目錄 XIII 第一章 緒論 1 § 1.1 前言 1 § 1.2 論文結構 3 第二章 液晶簡介 4 § 2.1 何謂液晶 4 § 2.2 液晶分類 5 2.2.1 向列型液晶（Nematics Liquid Crystal） 6 2.2.2 膽固醇液晶（Cholesterics Liquid Crystal） 8 2.2.3 層列型液晶（Smectics Liquid Crystal） 10 2.2.4 圓盤狀液晶（Discotic Liquid Crystal） 10 § 2.3 液晶物理特性 12 2.3.1 液晶的雙折射性（Birefringence） 12 2.3.2 秩序參數（Order parameter） 16 2.3.3 溫度對秩序參數的影響 18 2.3.4 溫度對向列型液晶的影響（Temperature dependence） 19 2.3.5 彈性連續體理論（The elastic continuum theory） 20 2.3.6 外加電場對液晶之影響 22 2.3.7 Freedericksz Transition 24 第三章 相關基礎理論 25 § 3.1 向列型膠體粒子 ( Nematic colloids ) 25 § 3.2 微粒子在液晶相交界面間之行為 29 § 3.3 馬蘭哥尼對流（Marangoni convection） 30 § 3.4 光致同素異構化反應 31 3.4.1 光引致同分異構化反應（Photo-isomerization） 31 3.4.2 光致熱效應（Light-induced thermal effect） 32 3.4.3 雙光子效應（Biphotonic effect） 34 § 3.5 溝槽理論 35 第四章 樣品製作與實驗光路 36 § 4.1 材料介紹 36 4.1.1 向列型液晶 E7 36 4.1.2 偶氮染料 4-Methoxyazobenzene 38 4.1.3 膠體球 39 § 4.2 樣品製作 40 4.2.1 藥品配置 40 4.2.2 膠體球表面配向 41 4.2.3 玻璃裁切及清洗 43 4.2.4 玻璃表面配向處理 44 4.2.5 空液晶盒製作 46 4.2.6 填充液晶 47 § 4.3 實驗光路架設 48 4.3.1 實驗（一）光路架設 48 4.3.2 實驗（二）光路架設 49 第五章 實驗結果與分析討論 50 § 5.1 雷射照射於摻雜不同濃度偶氮染料對向列型膠體球影響之討論 50 5.1.1 摻雜10 wt%偶氮染料在紫光（403 nm）雷射下對於向列型膠體球的影響 50 5.1.2 摻雜15 wt%偶氮染料在紫光（403 nm）及綠光（532 nm）雷射下對於向列型膠體球的影響 52 5.1.3 摻雜20 wt%偶氮染料在紫光（403 nm）及綠光（532 nm）雷射下對於向列型膠體球的影響 54 5.1.4 摻雜25 wt%偶氮染料25 wt%在紫光（403 nm）及綠光（532 nm）雷射下對於向列型膠體球的影響 56 5.1.5摻雜不同濃度偶氮染料在紫光（403 nm）及綠光（532 nm）雷射下對於向列型膠體球的影響之比較 57 § 5.2將雷射聚焦後照射於摻雜偶氮染料對向列型膠體球影響之討論 59 5.2.1 觀察不同偏振方向之紫光（403 nm）雷射打至樣品現象 59 5.2.2 以不同光功率之紫光（403 nm）雷射打至樣品之現象 61 （i）紫光功率低於臨界光功率（10 mW） 62 （ii）紫光功率等於臨界光功率（17.13 mW） 63 （iii）紫光功率高於臨界光功率（30 mW） 65 5.2.3以不同光功率之綠光（532 nm）雷射打至樣品之現象 68 （i）綠光功率低於臨界光功率（10 mW） 69 （ii）綠光功率等於臨界光功率（89.54 mW） 71 （iii）綠光功率高於臨界光功率（120 mW） 72 5.2.4 捕捉膠體球行為之探究 72 （i）膠體球移動的方式 73 （ii）光偏振方向對於吸收膠體球之影響 75 （iii）黑色缺陷環的產生 77 （iv）電壓與溫度對黑色缺陷環的影響 79 （V）吸引膠體球之原因 84 5.2.5 偶氮染料對於捕捉現象之影響 89 （i）「摻雜偶氮染料於向列型膠體球」與「向列型膠體球」之比較 90 （ii）以雙光照射於膠體球摻雜偶氮染料液晶之現象 92 第六章 結論與未來展望 95 § 6.1 結論 95 § 6.2 未來展望 98 參考文獻（References） 99

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