Un dispositivo cristalino líquido colestérico electroquímico para modulación de Color rápida y de baja tensión

Resumen

Un protocolo para la fabricación de un dispositivo de pantalla cristalino líquido colestérico reflexión que contiene un dopante quiral redox-sensible que permite el funcionamiento rápido y de baja tensión se presenta.

Resumen

Demostrar un método para la fabricación de un dispositivo de visualización reflexiva de prototipo que contiene cristal líquido colestérico (LC) como un componente activo. La LC colestérico se compone de un nemático LC 4'-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), redox-sensible dopant chiral (^FcD) y un electrolito soporte 1-etil-3-methylimidazolium trifluorometanosulfonato (EMIm-OTf). El componente más importante es el ^FcD. Esta molécula cambia su valor de energía (HTP) torsión helicoidal en respuesta a reacciones redox. Por lo tanto, las reacciones redox electroquímica in situ en la mezcla de LC permiten el dispositivo para cambiar su color de reflexión en respuesta a estímulos eléctricos. La mezcla de la LC fue introducida, por una acción capilar, a un tipo sandwich ITO vidrio celular compuesto por dos laminas de vidrio con electrodos de óxido de estaño (ITO) estampado indio, uno de los cuales estaba cubierto con poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-poli (etileno glicol) dopado con perclorato (PEDOT⁺). Aplicación de + 1,5 V, el color de la reflexión del dispositivo cambia de azul (467 nm) a verde (485 nm) en 0,4 posteriores s. aplicación de 0 V hizo el dispositivo recupera el color azul original en 2.7 s. Este dispositivo se caracteriza por su mayor respuesta eléctrica y menor tensión entre cualquier previamente divulgados colestérico dispositivo de LC. Este dispositivo podría allanar el camino para el desarrollo de los muestra reflexivo de próxima generación con tasas de consumo de energía baja.

Introducción

Cristales líquidos cholesteric (LCs) se sabe que exhiben colores de reflexión brillante debido a su régimen molecular helicoidal^1,2,3,4. El reflejo de longitud de onda λ está determinada por el tono helicoidal P y la media de refracción el índice de n de la LC (λ = nP). Estos LCs puede ser generada por dopaje chiral compuestos (dopantes quirales) a nemático LCs y su tono helicoidal se define por la ecuación P = 1/β_MC, donde β_M es la potencia de torsión helicoidal (HTP) y C es el molar fracción de dopant chiral. Basado en esta noción, diferentes dopantes quirales que puede responder a una variedad de estímulos como luz^5,6,7,8, calor⁹, campo magnético¹⁰y gas¹¹ se ha desarrollado. Tales propiedades son potencialmente útiles para varias aplicaciones como sensores¹² y láseres^13,14,15 entre otros^16,17,18 .

Recientemente, hemos desarrollado el primer dopant chiral redox-sensible ^FcD (figura 1A)¹⁹ que pueden cambiar su valor HTP en respuesta a reacciones redox. ^FC D se compone de una unidad de ferroceno, que puede sufrir reacciones de redox reversible^20,21,22y una unidad binaphthyl, que se sabe que exhiben alta HTP valor²³. La LC colestérico dopada con ^FcD, en presencia de un electrolito soporte, puede cambiar su color de reflexión dentro de 0,4 s y recuperar su original color de 2.7 s sobre la aplicación de voltaje de + 1,5 y 0 V, respectivamente. La velocidad de respuesta alta y baja tensión observan para el dispositivo es sin precedentes entre cualquier otro dispositivo de LC colestérico divulgado hasta ahora.

Una de las aplicaciones importantes de la LCs cholesteric es muestra reflexiva, cuya tasa de consumo de energía es mucho menor que las pantallas convencionales de LC. Para ello, LCs colestérico debe cambiar su color de reflexión con estímulos eléctricos. Sin embargo, la mayoría de las metodologías anteriores utiliza un acoplamiento eléctrico entre los estímulos eléctricos aplicados y las moléculas de LC de host, que requiere alto voltaje 40 V^{24,25,26,27 ,28}. Para el uso del dopant chiral eléctricamente sensible, hay solamente pocos ejemplos^29,30 incluyendo nuestro anterior trabajo³¹, que también requiere alto voltaje con velocidad de respuesta baja. Teniendo en cuenta estos trabajos previos, el rendimiento de nuestro ^FcD-dopado colestérico dispositivo de LC, especialmente para la velocidad de modulación del color rápido (0,4 s) y baja tensión (1,5 V), es un logro revolucionario que puede mucho contribuir al desarrollo de pantallas reflectantes de próxima generación. En este protocolo detallado, nos demuestran los procesos de fabricación y los procedimientos operativos de los dispositivos de pantalla LC colestérico prototipo.

Protocolo

1. preparación de la mezcla de LC colestérico

1. Añadir 84,6 mg de 5OCB y 5,922 mg ^FcD¹⁹ (3,1% mol a 5OCB) en un frasco de vidrio limpio de 10 mL.
2. Añadir 12,9 mg de EMIm-OTf y 10 mL de diclorometano (CH₂Cl₂) en un nuevo frasco de cristal limpio 10 mL y mezclar bien. Transferir 2,1 mL de la solución de la EMIm-OTf a la 5OCB - ^FcD-que contiene el frasco de cristal. Agite suavemente el frasco para mezclar bien todos los componentes.
3. El frasco de cristal con una lámina de aluminio y hacer varios agujeros en la parte superior.
4. Calentar la anterior CH₂Cl₂ solución 5OCB, ^FcD (3.1 mol % de 5OCB) y EMIm-OTf (5OCB 3.0 mol %) a 80 ° C en una campana bien ventilada. Después de 60 min, se evapora la mayor parte del CH₂Cl₂ . Este procedimiento es importante para asegurar una mezcla homogénea de los componentes.
5. Evaporar el restante CH₂Cl₂ a presión reducida (~5.0 Pa) por bomba de vacío rotatoria de aceite a 80 ° C durante 60 min en la campana bien ventilada para obtener una mezcla clara naranja de LC.

2. preparación de la célula de vidrio tipo sándwich ITO

1. Procedimiento de la ITO de limpieza vidrio revestido
   1. Cortar un vidrio de ITO con dibujos (10 cm x 10 cm, resistencia: ~ 30 Ω), que contiene 100 piezas de un electrodo designado a un tamaño más pequeño (10 mm x 10 mm) por un cortador de vidrio con punta de diamante, por lo que una sola pieza incluye un patrón del electrodo. Siempre verifique la resistencia de la superficie del cristal para saber qué lado es modelado con ITO usando, por ejemplo, multímetro digital (ITO patrón lado tiene baja resistencia).
   2. Cortar un vidrio completamente recubierto de ITO (10 cm × 10 cm, resistencia: ~ 30 Ω) a un tamaño más pequeño (10 mm x 12 mm) por un cortador de vidrio con punta de diamante. Una vez más, comprobar la resistencia de la superficie del cristal para saber de que lado está cubierto con ITO.
   3. Preparar una solución de lavado al mezclar 60 mL de Extran MA01 y 240 mL de agua ultrapura en un recipiente de vidrio (~ 500 mL). Remoje el anterior preparado placas de vidrio de ITO en la solución de fondo de tal manera que la superficie de cada placa de cristal no toque uno con el otro. En el caso de lavado de muchas placas de vidrio de ITO, es aconsejable utilizar algún soporte (por ejemplo, champú pincel).
   4. Poner las placas de vidrio de ITO que contienen vaso en un baño de ultrasonidos y someter a ultrasonidos durante 30 minutos. Después de la decantación de la solución de lavado, enjuague el recipiente que contiene las placas de vidrio de ITO por 200 mL de agua ultrapura para tres veces.
   5. Añadir 300 mL de agua ultrapura y someter a ultrasonidos el recipiente durante 20 minutos. Luego, saque el agua por decantación. Repita este lavado con agua ultrapura para tres veces. Para cada ciclo de lavado, verificar el arreglo de las placas de vidrio de ITO en el recipiente para que las superficies de las placas no están vinculadas uno al otro.
   6. Después de terminar los ciclos de lavado, seque las placas de vidrio de ITO uno por uno a través de la corriente de gas nitrógeno. Al poner las placas de vidrio de ITO en el lugar, mantenga la superficie ITO hacia arriba para evitar cualquier daño o contaminación de la superficie.
2. Fabricación de PEDOT⁺ cubierta placa de vidrio de ITO
   1. Poner el frasco de cristal que contiene una solución de nitrometano de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-poly (glicol de etileno) dopado con perclorato (PEDOT⁺, 0,7% en peso) en un baño de ultrasonidos y someter a ultrasonidos durante 60 min obtener una solución bien dispersa.
   2. Lugar el ITO totalmente cubierta placa de cristal en el rotor de un recubridor de centrifugado con posición vertical frente a superficie de la ITO. Soplar el polvo de la superficie de ITO utilizando una pistola de soplado de nitrógeno. Cuidadosamente transfiera 50 μl de solución recién sonicado de PEDOT⁺ con una pipeta.
   3. Fabricar la película PEDOT⁺ haciendo girar la placa a una velocidad de 1000 rpm por 60 s en las condiciones ambientales (~ 25 ° C, humedad: ~ 45%). Mantenga el PEDOT⁺ había cubierto las placas de vidrio de ITO bajo las condiciones ambientales de 1 h sin hornear.
3. Fabricación de la celda de vidrio de ITO
   1. Soplar el polvo de las placas de vidrio de ITO con dibujos mediante el uso de una pistola de soplado de nitrógeno.
   2. Frote la cara ITO de las placas de cristal (10 x 10 mm) con tela de rayón con una máquina de fricción. Durante todo el proceso, utilice una pistola de soplado de nitrógeno para evitar la contaminación de polvos.
   3. Llevar a cabo los siguientes procedimientos en un lugar que puede evitar la contaminación de polvos, idealmente en una habitación limpia.
   4. Mezcle una gota de adhesivo óptico y una cantidad de arroz tamaño de granos de cristal de fondo.
   5. Establecen el PEDOT⁺ había revestido con placa de vidrio de ITO en la mesa con la posición vertical frente a superficie PEDOT⁺ . Ponga una pequeña cantidad de la mezcla de adhesivo en el PEDOT⁺ había cubierta placa de vidrio de ITO donde las cuatro esquinas de la ITO con dibujos vienen de la placa de vidrio.
   6. Colocar la placa de vidrio de ITO con motivos en el PEDOT⁺ cubierta placa de vidrio de ITO de tal manera que las superficies de ITO las dos placas de vidrio se enfrentan entre sí para fabricar una celda. Empuje suavemente las cuatro esquinas de la célula. Confirmar un espacio uniforme de la célula por la desaparición de un patrón de franja en la superficie de la célula.
   7. Irradiar la anterior celda de vidrio de ITO con una lámpara 365 nm UV 20 s para reforzar la adherencia.
   8. Calentar la celda anterior en una fase caliente a 100 ° C durante 3 h para continuar fortaleciendo la adhesión.
   9. Conecte dos cables conductores a cada uno del área de las placas de vidrio en la célula ITO por soldadura ultrasónica.

3. experimentos de modulación del color

1. Introducción de la mezcla de LC colestérico en la celda de vidrio de ITO para la fabricación del dispositivo LC
   1. Para el fácil manejo y fijar los cables de los preparados vidrio células a un portaobjetos de microscopio con una cinta aislante.
   2. Calentar el frasco de cristal que contiene la mezcla de LC cholesteric a 80 ° C durante 10 a 15 minutos en una escena caliente. También calentar la celda de vidrio de ITO y una espátula, que se utiliza para transferir la muestra a la misma temperatura.
   3. Transferir una pequeña cantidad de la mezcla caliente de LC colestérico utilizando la espátula calentada rápidamente a la separación de dos placas de vidrio de ITO de la célula. Llenar el espacio entre las placas de dos vidrio por acción capilar, que tiene ~ 60 s.
   4. Bajar la temperatura de la etapa caliente de manera que la temperatura de la célula llega a 37 ° C.
   5. Presione el centro del dispositivo para exhibir color brillante reflexión.
2. Experimentos de modulación de color mediante el uso de un microscopio óptico digital.
   1. + 1,5 y 0 V se aplica alternativamente al dispositivo LC 4 s y 8 s, respectivamente, mediante el uso de un potenciostato a 37 ° C. Se definen los valores de tensión para no PEDOT⁺-revestido electrodo ITO en referencia a que para PEDOT⁺-revestido electrodo ITO en el dispositivo. Observar y registrar el cambio de color del dispositivo de LC por microscopio óptico digital.
3. Experimentos de modulación de color espectrometría
   1. Utilice los siguientes parámetros de configuración de espectrofotómetro UV-vis: modo fotométrico: T %, respuesta: rápido, ancho de banda: 1,0 nm, velocidad de escaneo: 2.000 nm/min, rango de exploración: 800 a 300 nm
   2. Para la medición de línea de base, coloque la etapa caliente en el espectrofotómetro sin el dispositivo de la LC. Asegúrese de que el agujero de observación esté bien colocado en el camino óptico del espectrofotómetro y el ángulo de incidencia es 0°. Supervisar el valor de transmisión en tiempo real en una cierta longitud de onda cuyo valor se maximiza mediante el ajuste de la colocación de la etapa caliente. A continuación, Inicio de la medición de línea de base.
   3. El aparato de la LC en este escenario caliente y luego, coloque la etapa caliente a la posición apropiada de a misma manera como se describe en el punto 3.3.2. Iniciar la medición y registrar el espectro.
   4. Aplicar + 1,5 V 4 s y comenzar la medición. Después de la medición, se aplican 0 V 8 s y, otra vez, iniciar la medición.
   5. Solicitar + 1,5 y 0 V alternativamente 100 veces al dispositivo LC 4 s y 8 s, respectivamente, mediante el uso de un potenciostato. Registro transmitancia en una longitud de onda designada (510 nm) durante los ciclos de aplicación de tensión.

Resultados

Fotografías, espectros de transmitancia y transmitancia dependiente tiempo cambian perfiles a 510 nm se recogen para el dispositivo de LC que contiene ^FcD-dopado (3,1% mol) colestérico LC en presencia de la EMIm-OTf (3.0 mol %) durante los ciclos de aplicación de tensión entre 0 y + 1,5 V a 37 ° C.

La mezcla de LC que contiene ^Fc

Discusión

Tras aplicación de + 1,5 V en la parte superior electrodo ITO (figura 1C), ^FcD experimenta una reacción de oxidación para generar ^FcD⁺. Como el poder de torsión helicoidal de ^FcD⁺ (101 μm^-1, figura 1B

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-Ethyl-3-methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate, 98%	TCI	E0494
4-Cyano-4'-pentyloxybiphenyl, 98%	TCI	C1551
Diamond tipped glass cutter	AS ONE	6-539-05
Dichloromethane, 99.5%	KANTO CHEMICAL	10158-2B	HPLC grade
Differential Scanning Calorimeter	METTLER TOLEDO	DSC 1
Digital microscope	KEYENCE	VHX-5000
Extran MA01	Merck	107555
Fully ITO-coated glass plate			Costum order, Resistance: ~30Ω
Glass beads	Thermo Fisher Scientific	9005	5 ± 0.3 μm in diameter
Hot stage	INSTEC	mK1000
ITO-patterned glass plate			Costum order, Resistance: ~30Ω
Oil rotary vacuum pump	SATO VAC	TSW-150	Pressure: ~5 Pa
Optical adhesive	Noland	NOA81
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), bis-poly(ethyleneglycol), lauryl terminated	Sigma Aldrich	687316	0.7 wt% (dispersion in nitromethane)
Potentiostat	TOHO TECHNICAL RESEARCH	PS-08
Rubbing machine	EHC	MRJ-100S
Spectrophotometer	JASCO	V-670 UV/VIS/NIR
Spin coater	MIKASA	1H-D7
Ultrapure water	Merck	Milli-Q Integral 3
Ultrasonic bath	AS ONE	ASU-2	Power: 40 W
Ultrasonic soldering	KURODA TECHNO	SUNBONDER USM-IV
UV lamp	AS ONE	SLUV-4	Power: 4 W