1-1 液晶簡介
液晶（liquid crystal）在1888年由Austrian botanist Friedrich Reinitzer 首度發現1。液晶分子有別一般液體而 具有排列及方向性，隨性質不 同又分為熱致性（Thermotropic）及濃致性（lyotropic），前者隨溫度變 化而後者隨濃度變化可能產生不同的液晶相。依排列可大致分為向列 相（nematic phase），層列相（smectic phase），膽固醇相（Cholesteric），
及盤狀（Discotic）液晶。一般現今所液晶顯示器所用之液晶大多為向 列相液晶，因為其流動性較佳，且不像層列相液晶不易配向且因層距 易受溫度影響而變化進而產生拉鍊狀缺陷（zigzag defect）而導致漏光2。
然而比起電漿及其他新一代的顯示器，液晶顯示器最大的缺陷在 於反應時間不夠快以及可視區域狹窄，後者靠不同的液晶模組如垂直 配向（vertical alignment，VA）及補償膜（compensation film）已獲得 解決，然而反應時間仍然不足以使液晶顯示器達到最好的效果，故尋 求具有更快反應速率之液晶材料已成為液晶研究領域之重要目標。
1-2 鐵電型液晶
鐵電性（ferroelectric）為晶體結構中正電荷與負電荷中心產生偏 離，造成永久的偶極距（dipole），在不加電場的情況下一巨觀之自發 極化值（spontaneous polarization），或稱 Ps 值，會因為這些微觀的偶
性材料將保有一淨極化值並使分子仍朝此方向排列。
鐵電性最早在無機陶瓷與金屬氧化物中被發現，直到1975年Robert B. Meyer 預測，認為含有旋光基團的液晶分子在形成傾斜的smectic C
（Sc*）相時，單一層中液晶分子為單斜結構，並且偶極會指向同一個 方向而產生自發極化的現象3，之後Meyer 成功驗證了其材料具鐵電性 質，並設法應用在顯示器材料中，且因其理論與實驗，讓Meyer 榮獲 2004 年Benjamin Franklin 物理獎。
鐵電型液晶的應用性有二，1、利用其雙遲滯（bistable）性質可以作為 電子書，2、利用其自發極化值（Ps值）可以增加反應速度，因τ = η /
（Ps．Ｅ），其中τ為反應時間，η為黏滯係數，E為電場。可知τ會隨Ps 值上升而下降，故可達到所需的快速應答效果4, 5。
不過鐵電型液晶也有諸多缺點待克服，首先如1-1節所介紹的，鐵 電型液晶屬層列型液晶，故配向不易且易受溫度影響，再者，Ps過大 會使液晶元件內之離子效應嚴重化，使離子吸附電極兩側，使螢幕產 生影像殘留。
針對第二點缺點可以利用反鐵電液晶（antiferroelectric liquid crystal，AFLC），由於其背斜（anticlinic）排列造成自發性極化方向上 下層相反，大大減低離子現象發生。針對第一點缺點，I. Alonso於 2007 年利用液晶的光學等向性（optically isotropic），也就是液晶的紋理區塊
（domain）小於可見光波長下可達到完全暗態，使通電與不通電的情 況下對比達到300：1，且不需要配向，為此種快速應答液晶找到一種 更好的應用方式6,7,8。
1-3 香蕉型液晶
1996 年，Niori首先報導非旋光性彎曲型液晶分子，具有鐵電行為，
推翻了形成鐵電液晶相，需具備傾斜層列相與旋光性才會產生宏觀自 發性極化的觀念9。另一個彎曲型液晶分子廣受囑目原因在於其彎曲結 構緊密堆疊排列，除了能在層與層之間引導出極化秩序外，進而限制 分子旋轉，因此分子生成另一新型態液晶相。這些新型液晶相以
Bent-core和Banana-shaped的開頭字母B命名，分別為BB1、B2B、BB3……B8， 各相之間主要依光學紋理及X-Ray繞射為鑑定基礎10-12。
具鐵電性質之液晶在偏光顯微鏡下液晶相長成環形區域（circular domains），可觀察到黑色消旋十字刷痕（extinction cross brushes）有旋 轉現象。消旋十字刷痕平行或垂直分子長軸，由於分子長軸傾斜，故 消旋十字刷痕在分子同向傾斜，或稱向斜（synclinic），與正交偏光片 呈某一角度夾角，如圖 1a與圖 1c，稱為SmCSPF，其中下標“S”代表 synclinic，“F”代表ferroelectric。去除電場後分子平均光軸平行偏光片 和檢光片，十字暗紋與偏光片平行，為背斜（anticlinic） 故為SmCAPA
antiferroelectric13, 14。
鐵電與反鐵電轉換通常為分子沿傾斜圓錐體快速整體旋轉，這過 程中偶極方向（polar direction）與傾斜方向（tilt direction）通常同時發 生反轉，這也代表鐵電與反鐵電轉換發生一般為SmCAPA→SmCSPF或 SmCSPA→SmCAPF，並取決於分子在反鐵電基態下分子傾斜方向。
圖 1 反鐵電液晶於直流電場下(a)(c) SmCSPF與(b) SmCAPA切換行為之 示意圖。
1-4 氫鍵型液晶
超分子液晶是基於藉由非共價鍵相互作用的新式液晶材料，利用氫鍵、
離子相互作用、電荷轉移相互作用、疏水相互作用及凡得瓦力等分子間相互
作用（Intramolecular Interaction）可以構築多種超分子液晶。氫鍵作為一個 強度適中和有方向性的作用力，比電荷相互作用和凡得瓦力更加有利於分子 取向；對形成生物超分子和人工超分子架構，具有巨大的作用。由於非共價 鍵為較弱相互作用力，具有動態可逆的特點，這類超分子液晶體系可望具有 對外部環境刺激的獨特響應特性，呈現動態功能材料特點，表現出特定光電 性質、分子訊息存取、分子傳感器及催化活性15, 16。許多自然界生物組織的 構成及其許多功能的運作均來自氫鍵構建的超分子架構，如DNA 的完美雙 螺旋鏈超分子架構，即是依靠嘌呤和嘧啶之間的鹼基氫鍵配對來維繫和發揮 轉錄、轉譯及複製等作用，從而完成生命的高級機能。
1-5 研究動機及方向
具有鐵電性質之氫鍵香蕉型液晶首先於2004 年被J. Serrano 等人 報導17，由於香蕉型液晶不需旋光中心即可產生鐵電性質的特性，再加 上氫鍵超分子結構的調整及修飾較為簡易，故氫鍵香蕉型液晶材料具 有應用在未來的顯示器及光電材料上之潛力18。
本實驗室已開發多種香蕉型氫鍵液晶，惟其缺點為大多數液晶相 溫度仍嫌狹窄，容易結晶，故雖為反鐵電液晶對於實際應用性仍低。
本實驗室因此以增加氫鍵香蕉型液晶之液晶相溫度範圍為目標，96 年 度畢業之蔡馨儀學姊的碩士論文即提到利用共聚的方法穩定氫鍵香蕉
型液晶，雖然結果為鐵電而非反鐵電型液晶，但是仍有達到讓香蕉型 氫鍵液晶安定化的效果。
因此，本實驗計畫讓共價鍵及氫鍵之香蕉型液晶分子混摻，藉由 共價鍵分子較為安定的特性穩定氫鍵分子，並擴展其液晶相溫度，而 且理論上混摻物可以降低黏度因此增加應用性，故可能比共聚的方法 為優19。另外再研究混摻物碳鏈長度對整個混摻比例的影響，因為H.
Takezoe在 2004 年發表的文獻提及，共價鍵香蕉型液晶碳鏈較長的分 子於混摻物中有主宰（dominate）的優勢20，故本實驗欲探討對於氫鍵 與共價鍵混摻的香蕉型液晶分子是否也有同樣效應，如果有則可以利 用碳鏈長度調配比例而達到液晶溫度最廣的效果。另外除了一般液晶 相的鑑定外，自發極化值與施加電壓及混摻比例的關係也值得探討，
如能了解混摻比例對其他變因的關係，將可透過混摻比例得到所求的 鐵電液晶效果。