第二章 實驗方法及實驗原理
本章主要介紹此論文中使用到的量測方法、量測系統與量測原理。2-1 節為簡介樣品與混合液晶的製程，與 SEM 試片的製作，2-2 節為觀察藍相 液晶相變所需要的溫控系統，2-3 節為高分單體進行光聚合作用而成為高分 子聚合物所使到的照光系統，2-4 與 2-5 節為液晶樣品對電壓響應之量測方 法，2-6 節則是因藍相液晶晶格結構所觀察到的反射光譜與科索圖案(Kossel Diagrams)的實驗方法、原理和計算。
2-1 液晶樣品製作及介紹
本節介紹實驗上所使用到的 IPS 樣品空盒結構 ，和自製樣品空盒 (IN-ITO、IN-G、No-ITO、Free Surface…等)製作過程與結構，混合液晶材 料的調配和 SEM 試片的製作，而 SEM 試片的製作是用於直接觀察高分子 單體聚合後的形狀與結構。
2-1-1 樣品空盒介紹
在本論文中會使用到的樣品空盒，有 IPS 樣品空盒為 Instec 公司所製造，
和自製樣品空盒。IPS 樣品空盒其玻璃沒有做表面處理，ITO pattern 只鍍在
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下基版，如圖 2-1-1，電極區域為綠色區，交錯的電極區域為 1cm2，框膠部 分為灰色區；IPS 之電極間距為 10μm，電極寬度 10μm，樣品間隙厚度(Cell Gap)為 7.5μm。而在自製樣品空盒方面，本實驗使用的基板會將所使用的面 積大小切割為 20×25mm，使用不同基板製作樣品空盒，且對不同樣品結構 有不同的製作過程。大致上的處理過程分成：A. ITO 層的蝕刻、B. 清洗基 材與 C. 樣品空盒的組裝。
A. ITO 層的蝕刻
1. 將配置好的草酸溶液(1wt%)加熱至攝氏 60 度，待其溫度穩定。
2. 置入 ITO 玻璃使溶液蓋過之，放置 30 分鐘。
3. 取出玻璃並使用去離子(DI Water)水沖洗乾淨。
B. 清洗基板
1. 將其放入燒杯內，加入中性的清潔劑，再加水蓋過之，將燒杯放入 超音波震盪器中用超音波清洗 5 分鐘。
2. 用自來水將清潔劑沖洗乾淨。
3. 將樣品放入另一空燒杯並加入丙酮(Acetone)，將燒杯放入超音波震 盪器中用超音波震盪 5 分鐘，之後將丙酮回收避免污染。
4. 將樣品放入另一空燒杯並加入甲醇(Methanol)，將燒杯放入超音波 震盪器中用超音波震盪 5 分鐘，之後將甲醇回收避免污染。
5. 將樣品放入另一空燒杯並加入去離子水(DI Water)，將燒杯放入超
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音波震盪器中用超音波震盪 5 分鐘 。
6. 將樣品以去離子水沖洗，用氮氣吹乾後將樣品放到烤箱中將水氣烤 乾，冷卻備用。
C. 樣品空盒的組裝
1. 將完成的基板以上下基板相互平行的方式夾合，中間以 Mylar 作為 間隔。
2. 將夾有 Mylar 之區域以 AB 膠封合，並留下兩個缺口以便灌入液 晶。
3. 待 AB 膠硬化後，將樣品空盒放置備用
本論文中會使用到的自製液晶空盒的製作過程如下表所示。
樣品名稱 基板 製作過程 示意圖
IN-ITO ITO 玻璃 清洗基材→ 樣品空盒的組裝(ITO 面向內) 2-1-2(a) IN-G ITO 玻璃 清洗基材→ 樣品空盒的組裝(玻璃面向內) 2-1-2(b) No-ITO ITO 玻璃 ITO 層的蝕刻→清洗基材→ 樣品空盒的組裝 2-1-2(c)
FSI Fused Silica 清洗基材→ 樣品空盒的組裝 2-1-2(d)
表 2-1-1 各自製液晶樣品空盒之基板與製作過程
2-1-2 自由表面(Free Surface )樣品介紹
自由表面(Free Surface)樣品與液晶樣品空盒不同的地方為，其結構沒有 做成空盒的形狀，單單為一片經過清洗的基板，清洗流程與上一節所介紹 的清洗基板過程相同，而液晶是以直接滴於基材上做實驗的量測，本論文 中基板為使用 ITO 玻璃，且與液晶滴接觸的面為玻璃面，如圖 2-1-3所示。
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2-1-3 混合液晶的配製
本篇論文中所使用的液晶、手性添加物(Chiral Dopant)、高分子單體 (Monomer ， 照 光 過 後 鍵 結 變 成 Polymer ： 高 分 子 聚 合 物 ) 、 光 起 始 劑 (Photoinitiator)如表 2-1-2：
種類 名稱 常溫下(300k) 購買公司
Liquid Crystal 5CB 液晶態 Merck
Liquid Crystal E7 液晶態 Merck
Liquid Crystal MDA-00-3461 液晶態 Merck Chiral dopant R-811(ZLI-3786) 粉末 Merck
Monomer RM-257 粉末 Merck
Monomer EHA 液態 Aldrich
Photoinitiator DMPA 粉末 Aldrich
(EHA: 2-ethylhexyl acrylate, DMPA: 2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone) 表 2-1-2 液晶材料介紹
6. 若混合液晶內有加入 Monomer 或 Photoinitiator，則在棕色瓶外額外
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包覆一層鋁箔紙，以避免液晶受到光照影響。
7. 將調配好的混合液晶放到試管震盪混合器上，震盪直到粉末與液晶完 全混合。
8. 將混合液晶放到超音波震盪器上，調整至 De-gas 模式將震盪完後產 生的氣泡消除。
9. 放入防潮箱備用。
2-1-4 製作液晶樣品
使用已備置好的液晶樣品空盒，灌入調備好的混合液晶，以下為液晶 樣品製作流程：
1. 將調配好之混合液晶加熱至各向同性(Isotropic)態，並同時將樣品空 盒加熱。
2. 將混合液晶灌入樣品空盒。
3. 用 AB 膠將樣品缺口封起。
4. 若所灌之液晶有加入 Monomer 或 Photoinitiator，則將樣品放入包覆 鋁箔紙之培養皿內；反之則放入普通培養皿。
5. 放入防潮箱備用。
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2-1-5 高分子安定藍相液晶電子掃描顯微鏡試片製作
電子掃描顯微鏡試片所使用的基材與前幾節所介紹的相同，均使用 ITO 玻璃為基材，樣品空盒的組裝方式會因實驗條件的不同而有差異，但是在 灌入液晶後不會使用 AB 膠封盒，而是直接使用燕尾夾夾住，這小節主要介 紹樣品洗去液晶的過程：
1. 拆開樣品盒，在拆開樣品盒時必頇先關燈且不能使用推開滑動的方 式拆開，必頇直接對開樣品盒，因為推開滑動的方式可能會破壞高 分子單體的鑑結，如果是使用自由表面樣品的方式則不需拆盒，將 拆開後待處理的樣品放入包覆鋁箔紙之培養皿內。
2. 將拆開之樣品以正己烷(Hexane)沖洗二次，沖洗方式為使用玻璃滴管，
以一滴一滴的去做沖洗的動作，且沖洗後的廢液必頇集中回收。
3. 將沖洗後的樣品泡入正己烷液體中，以正己烷泡洗五分鐘後再沖洗 一次，清洗後的樣品放入包覆鋁箔紙之培養皿內，使用後的廢液要 集中回收避免污染。
2-2 偏光顯微鏡觀察及溫控系統
藍相液晶是一種對溫度敏感的相態，且有的特殊的紋理(Mosaic Texture)，
因此在溫度控制下，經由偏光顯微鏡可以容易的分辨出來，在這章會一一 介紹這些系統及架設。
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2-2-1 偏光顯微鏡觀察液晶樣品
在實驗中分別有以穿透式偏光顯微鏡與反射式偏光顯微鏡觀察樣品，
確定藍相液晶之相態，這節會介紹穿透式與反射式這兩種操做方法與架 設：
1. 穿透式偏光顯微鏡，光源從下方發光經過自然光平衡濾片(NCB11)再 過 一 片 偏 振 片 (Polarizer)接 著 打 在 樣 品 上 ， 後 由 物 鏡 再 經 偏 振 片 (Analyzer) 到達 CCD，使用影像擷取卡記錄下影像，而這對偏振片會 以互相垂直(Cross Polarizer)架設，裝置示意圖如圖 2-2-1。
2. 反射式偏光顯微鏡，光源從右側發光經過自然光平衡濾片(NCB11)再 過一片偏振片(Polarizer)接著反射後經由物鏡打在樣品上，再經由物鏡 過偏振片(Analyzer)到達 CCD，使用影像擷取卡記錄下影像，而這對 偏振片一樣以互相垂直(Cross Polarizer)架設，裝置示意圖如圖 2-2-2。
其中使用自然光平衡濾片(NCB11)之目的，為使光源經過此濾片後之頻 譜會與太陽所發出之自然光譜相似，穿透率光譜如圖 2-2-3；量測偏光顯微 鏡外加電壓穿透光強度時(此測量方法會 2-5 節介紹)，會將自然光平衡濾片 替換成綠色干涉濾片(GIF)，其頻譜之峰值約在 546nm 之波段，穿透光譜如 圖 2-2-4。若是拍攝未照光樣品之偏光顯微鏡照片時，會在自然光平衡濾片 上額外加一層隔絕 UV 光的 PI 膜(聚醯亞胺薄膜，Polyimide Film)，以避免 樣品因顯微鏡光源而進行光聚合反應，PI 膜會濾掉 500nm 以下之光譜，其
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穿透率光譜如圖 2-2-5。
偏光顯微鏡中可更動的參數中，最主要的為 CCD 之曝光時間，由於藍 相為光學上各向同性(Optically Isotropic)，在上下偏振片互相垂直的形況下，
比 Chiral Nematic & Nematic & Sematic 相態難以觀察，因此觀測藍相時需 要加長曝光時間。
2-2-2 樣品溫度控制方法
由於藍相是溫度敏感的相態，所以對於環境溫度必頇加以控制，本節 介 紹 論 文 的 實 驗 過 程 中 使 用 到 的 溫 控 系 統 ， 其 架 設 如圖 2-2-6， 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。冷卻水循環系統為自製的 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 (Heat Sink)並且外加風扇(Fan)將 TEC 熱端產生的熱帶走，以免熱端的熱
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傳到冷端而減低降溫效果。
記錄實驗溫度時，會使用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。
2-3 樣品照光方法
在製作高分子安定藍相液晶樣品時，會使用到照光進行光聚合作用，
本論文中會使用到之光源為 UVA 燈與 LED 燈源，且樣品在照光同時會使 用偏光顯微鏡觀察，且溫控於藍相下進行。
首先介紹不同光源之光譜，UVA 燈其光譜在 370nm 出現光強最強之峰 值，半高寬約 30nm，其光譜如圖 2-3-1；LED 燈其光譜峰值在 410nm，半 高寬 13nm，其光譜如圖 2-3-2。以下介紹照光流程：
1. 將光源架設於偏光顯微鏡上，在 NCB 濾片上多加一層隔絕 UV 光的 PI 膜，且照光光源為側向打在樣品上的方式，如圖 2-3-3 所示。
2. 照光前會使用 UVX Radiometer(UVP)並接上感測器(UVX-36)置於載台 上且記錄光源強度(此時顯微鏡燈源不開)，感測器之光譜靈敏度落在 300nm 到 400nm 範圍之間而 365nm 最為敏感如圖 2-3-4。
3. 將樣品置於溫控平台中，放在顯微鏡載台上，控溫條件與照光時間依實 驗需求會有所不同。
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2-4 反應時間量測方法
量測反應時間的系統架設會使用 632.6nm 之雷射，先做空間濾波與擴 束平行光，經過一對以互相垂直架設的偏振片，再由光偵測器測量光強，
量測的樣品放在偏振片之間，且 Δninduced與偏振片夾 45°角，樣品的外加電 壓由訊號產生器(Function Generator)產生方波(Square)並使用 AM 調頻，再 藉由電壓放大器放大電壓 10 倍加在樣品上。在數據取得部分，訊號產生器 的訊號會傳送到示波器(Oscilloscope)，光偵測器的訊號也同時傳送到示波器，
電腦由 GPIB 擷取示波器的訊號，架設如圖 2-4-1。
取得的數據結果如圖 2-4-2，將樣品外加電壓後穿透光強度由 10%上升
取得的數據結果如圖 2-4-2，將樣品外加電壓後穿透光強度由 10%上升