2-1 高分子安定藍相液晶及克爾效應(Kerr effect) 2-1-1 高分子安定藍相液晶的原理
高分子安定藍相液晶(Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid
Crystal，簡稱為 PSBP-LC)是一種增加藍相液晶溫度範圍的方式，於 2002 年由九州大學的菊池(Kikuchi)教授提出，並且成功的用這種方
式將藍相的溫度範圍由傳統的1K 增加到 60K。
Kikuchi 教授等人將微量的高分子單體加入液晶中，在液晶態為 藍相時照光讓高分子單體進行光聚合作用鍵結成為高分子聚合物，
他們認為照光後的高分子聚合物會延著藍相液晶內的缺陷
(disclination)進行鍵結，而達成固定藍相液晶結構之效果4。不過目 前尚未有實驗能證明這一點，且在SEM 下也無法明顯看出高分子聚 合物只在缺陷處進行鍵結11。
2-1-2 高分子安定藍相液晶之克爾效應(Kerr effect)
6,10沒有外加電場時，高分子安定藍相液晶的體心對稱結構造成光
學上各向同性，但是當外加一個很強的電場時，會出現誘發雙折射 (induced birefringence)的特性而造成各向異性(anisotropic)。這種誘發 雙折性的物理機制被認為是外加電場造成雙螺旋圓柱內的液晶分子
重新改變排列方向的結果，但是詳細的物理機制目前尚為完全了解。
藍相液晶這種由各向同性轉變成為各向異性的特性可用克爾效 應(Kerr effect)來描述。當電場為零時，藍相液晶呈現光學上各向同
性；當施加一個很強的外加電場時，將會誘發雙折射的特性且折射 橢球(refractive ellipsoid)的光軸與電場向量 E 的方向一致，如圖 2-1-1。這種誘發雙折射(Δninduced)可以由以下公式來表示
其中λ為波長，K 為克爾常數(Kerr constant)，(Δninduced)o為最大之誘 發雙折射，當外加電場時，Δninduced之值會飽和到 (Δninduced)o。
穿過起偏器的光電場偏振方向以瓊斯向量(Jones vector)表示為
xy 生的Δn為電場誘發雙折射(electric-field induced birefringence)，表示
為
Δ n
induced= λ KE
2，故光強度改為
⎟
(Oscilloscope)，並同時將訊號產生器(Function Generator)的訊號也傳 送到示波器，之後將訊號由GPIB擷取至電腦。實驗中所使用的波形 為方波(Square)將數據分析後所得到的結果如圖2-3-2，將樣品外加電壓後穿透
光強度由10%上升至 90%的時間定義為Rise time，關閉外加電壓後 樣品穿透光強度由90%下降至 10%的時間定義為Fall time。總反應 時間(Total response time)定義為Rise time + Fall time。
2-4 偏光顯微鏡觀察及溫控系統
2-4-1 偏光顯微鏡觀察
1. 裝置示意圖如圖 2-4-1。將製作完成的樣品放置於偏光顯微鏡下，
令偏光顯微鏡上下兩片偏振片互相垂直(Cross polarizer)，下方裝 濾光片(Filter)，此處使用Filter1，此濾波片之穿透率光譜如圖
2-4-2；在量側偏光顯微鏡外加電壓穿透光強度時所使用的濾光片
為Filter2，其穿透光譜如圖2-4-3，。若是拍攝未照光樣品之偏
光顯微鏡照片時，會在Filter1上額外加一層隔絕UV光之PI膜(聚 醯亞胺薄膜，Polyimide Film)，以避免樣品因顯微鏡光源進行光 聚合反應，PI膜之穿透率光譜如圖2-4-4。
2. 樣品沿著 z軸方向旋轉，θ為IPS 樣品之外加電場方向與下方偏 振片偏振方向之夾角。
3. 利用 CCD及影像擷取卡記錄下影像。
4. 偏光顯微鏡中可更動的參數中最主要的為 CCD之曝光時間，由 於Blue Phase為光學上各向同性(optically isotropic)，在上下偏振 片互相垂直的形況下，較Chiral nematic & Nematic & Sematic 態 難以觀察(曝光時間1秒)，因此觀測Blue Phase時需要加長曝光 時間(曝光時間6秒)。
5. 本實驗中皆固定使用Nisson放大率為40X之物鏡，N.A.值為0.4。
2-4-2 偏光顯微鏡外加電壓測量穿透光強度之方法
1. 實驗裝置基本上同圖 2-4-1，但是將下方的 Filter改為使用
Filter2，Filter2 之透率光譜如圖2-4-3。令θ=45°，此時外加電壓 後樣品的穿透光強度即符合(2-2-16)式。
2. 將樣品外加電壓後的照片以 CCD紀錄下來。
3. 將照片轉為灰階。
4. 記算照片之平均亮度後紀錄，即可得到 I。 5. 畫出 V-I曲線圖。
本實驗可以在外加電壓測量穿透光強度的同時紀錄溫度，並可以得 到樣品在偏光顯微鏡之照片。
2-4-3 溫控系統
我們在拍攝偏光顯微鏡照片時所使用的溫控系統如圖2-4-5，由
MK1(Instec, Temperature control, MK1 Version 2.52)控制加熱平台
(Hot Plate)內之目標溫度；MK1 會自動測量溫度，假如目前的溫度小
於目標溫度，則將加熱平台加熱，但是MK1只有升溫的功能，因此 我們外加了TEC冷卻水循環系統，讓溫控系統增加降溫的功能。
TEC冷卻水循環系統由幫浦(Pump)和3組的 TE cooler(TEC)組 成，並由電源供應器(Power Supply)提供電力讓系統運作。
水循環系統內灌入去離子水(Deionized Water, DI water)，並由幫 浦讓系統內之去離子水得以循環。TEC外加電壓之後會形成冷端以 及熱端，將冷端那一面與水冷頭(Water Blocks)相接，如此一來循環 水通過水冷頭時即可降溫；而熱端那一面貼上外加散熱片(Heatsink) 並且外加風扇(Fan)將TEC熱端產生的熱帶走，以免熱端的熱傳到冷 端而減低降溫效果。
我們在實驗中記錄溫度時，由熱敏電阻貼在樣品上來記錄樣品
表面之電阻，並由電腦換算成溫度。這是由於MK1所記錄的溫度為 並非樣品上之實際溫度，因此使用熱敏電阻來記錄樣品表面的正確 溫度。