5-1 結論
我們成功利用三種液晶(MLC-2048、E7、MDA-00-3461)且液晶層厚 度約600μm 製作出頻率在 1THz 下的四分之ㄧ波長板。
由第四章的實驗結果，利用雙頻液晶確實能夠大幅改善 turn back 反 應時間，可從E7 的 252 秒增快到 84 秒，增快達 67﹪；但是雙頻液晶在 turn on 反應時間卻沒有如預期中快，導致此結果的原因如下：1.雙頻液晶 Δε 的大小僅僅只有 E7 的 1/4 倍左右，使得不容易利用外場驅動液晶分子
偏轉；2.預傾角會影響反應時間，預傾角的存在可以改善我們的反應時 間，因為液晶該開始時已經有明確的偏轉方向。根據上述的討論，我們 嘗試把表面配向膜從垂直配向膜 DMOAP 改為水平配向膜，經過實驗證 實可以改善液晶分子在剛開始的階段會不知道要往哪一個方向倒問題，
但由於整體的表現沒有比E7 好，所以我們根據文獻[16]中Δε 和頻率之關 係圖的結果改變雙頻液晶 MLC-2048 的正型液晶操作頻率為 500Hz，實 驗結果發現turn on 和 turn back 反應時間都變快了。
圖5-1.1 為各種狀態下的總反應時間比較圖，橫軸為不同液晶、不同 操作方式的種類，其中1kHz 和 500Hz 皆為雙頻液晶垂直配向樣品，homo 為雙頻液晶水平配向樣品，縱軸為總反應時間，總反應時間為turn on 加 上 turn back 反應時間，圖中可以看到雙頻液晶垂直配向樣品利用頻率
500Hz 和 100kHz 的切換可以增快 5﹪的總反應時間，從 E7 的 430 秒增 快到407 秒。
5-2 未來展望
經由前面的討論可知，若要增快反應時間首要目標就是尋找介電異 方性較大的雙頻液晶。
在文獻[18][19]中提到若將微量的奈米碳管混入液晶中，會改變介電 異方性及彈性常數，進而使臨界電壓和反應時間改變，所以可以將微量 的奈米碳管混入雙頻液晶增加雙頻液晶受外加電場驅動的能力，增快反 應時間。
參考文獻
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[19] 潘鴻至,黃啟炎, “TN 液晶盒摻雜奈米碳管之光電響應研究”
director director
(a)
director director
(b)
director
director
director director
x y
z
director
director
director director director
director
director director
x y
z
(c)
圖1-2.1 液晶的種類 (a)向列型液晶 (b)層狀液晶 (c)膽固醇型液晶
X Y
X' Y'
θ X
Y
X' Y'
θ
圖2-1 座標轉換示意圖。液晶分子長軸與起偏器的偏振方向夾了一個角 度θ
Parabolic mirror
Delay Stage Emitter
BS Detector
Parabolic mirror
Sample Lock-in Amplifier
V A
PC
Parabolic mirror
Delay Stage Emitter
BS Detector
Parabolic mirror
Sample Lock-in Amplifier
Lock-in Amplifier
V V V A
A PC PC
圖2-2.1 THz-TDS 系統架設圖
圖2-2.2 天線示意圖 5 μm
THz wave
LT-GaAs 基板
Bias voltage Ni/Ge/Au 合金的導線 Laser beam
V
0 10 20 30 40 50 60 70 -0.001
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004
Air r.h. 50%
N2 r.h. 3%
THz field (a.u.)
Time delay (ps)
(a)
0 1 2 3 4 5 6
10-16 10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8
Air r.h. 50%
N2 r.h. 3%
Power (a.u.)
Frequency (THz)
(b)
圖2-2.3 (a)兆赫波時域訊號 (b)兆赫波頻譜圖
圖2-3 (a)兆赫波通過液晶樣品的示意圖 (b)兆赫波通過參考樣品的示意圖 z
THz wave
Polarization direction
d z
THz wave
Polarization direction
d
圖2-4 兆赫波傳播方向示意圖。兆赫波沿著 z 方向傳播，通過液晶層厚 度為d 的垂直配向樣品
(b) reference sample
d
STop substrate
Bottom substrate
z=d/2
z=-d/2 x
z
θ
Top substrate
Bottom substrate Top substrate Top substrate
Bottom substrate Bottom substrate
z=d/2
z=-d/2 x
z
θ
圖 2-5 反應時間推導樣品示意圖
圖 2-6 量測反應時間方法示意圖
22 24 26 28
-0.0001 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003
0.0004 100Vrms
0Vrms
THz Field (a.u.)
Time delay (ps) Delay stage位置
He-Ne Laser
Detector Sample
Polarizer Analyzer
Function generator
Multimeter Voltage
amplifier PC
Iris Iris
He-Ne Laser
Detector Sample
Polarizer Analyzer
Function generator Function generator
Multimeter Voltage
amplifier PC PC
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Intensity (a.u.)
Applied voltage (Vrms)
1kHz
Applied voltage (Vrms)
1kHz
Intensity (a.u.)
Applied voltage (Vrms)
10kHz
Applied voltage (Vrms)
10kHz
Intensity (a.u.)
Applied voltage (Vrms)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Applied voltage (Vrms) 100 kHz
(a) (b)
圖4-1.4 (a)垂直配向頻率操作在 100kHz，光強度和外加電壓的關係圖 (b)垂直配向頻率操作在 100kHz，相位和外加電壓的關係圖
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0
1 2 3 4 5 6 7 8
Threshold voltage (V rms)
Frequency (kHz) homogeneous alignment
(a)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Threshold voltage (V rms)
Frequency (kHz) homeotropic alignment
(b)
圖4-1.5 (a) 水平配向的樣品臨界電壓對不同外加頻率的關係圖 (b) 垂直配向的樣品臨界電壓對不同外加頻率的關係圖。
相同顏色的連線代表同一次量測的結果，不同顏色代表不同次量測的結 果。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -4
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
reference [16]
Diel ect ri c an iso tro p y
Frequency (kHz)
圖4-1.6 介電異方性和外加電壓頻率的關係圖。黑線為文獻[16]的結果，
其他顏色為本實驗量測到的結果。
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.00
0.05 0.10 1.90 1.95 2.00 0 50 100 150
(c)
Extinctio n coefficient
Frequency (THz)
(b)
Refracti v e i n d e x
Tsung-Ta Tang ours
Ph ase d if feren ce
(a)
圖4-2.1 (a)厚石英玻璃相位和頻率的關係圖
(b)厚石英玻璃折射率實部和頻率的關係圖 (c)厚石英玻璃折射率虛部(κ)和頻率的關係圖
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1.80
1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10
reference sample
Refractive index
Frequency (THz) (a)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.00
0.05 0.10
reference sample
Extinction coefficient
Frequency (THz)
(b)
圖4-2.2 (a)參考樣品折射率實部和頻率的關係圖 (b)參考樣品折射率虛部和頻率的關係圖
0.6 cm 2 cm 2.5 cm
0.5 cm
0.6 cm 2 cm
2.5 cm
0.5 cm
圖4-2.3 折射率樣品示意圖
圖4-2.4 製作好的樣品在正交偏振片下所看到的亮暗態
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 1.3
1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1
first measure second measure third measure
n e
Frequency (THz)
(a)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
0.0 0.1 0.2
first measure second measure third measure
κ e
Frequency (THz)
(b)
圖4-2.5 (a)非尋常光(Extraordinary Ray, e-ray)折射率實部和頻率的關係圖 (b)非尋常光折射率虛部(κe)和頻率的關係圖
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 1.2
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
first measure second measure third measure
n o
Frequency (THz) (a)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0.0 0.1 0.2
first measure second measure third measure
κ o
Frequency (THz) (b)
圖4-2.6 (a)尋常光(Ordinary Ray, o-ray)折射率實部和頻率的關係圖 (b)尋常光折射率虛部(κo)和頻率的關係圖
L
d
Copper spacer Fused-silica substrate L＝12mm
d＝600μm
side view
L
d
Copper spacer Fused-silica substrate L＝12mm
d＝600μm
side view
圖4-3.1 垂直配向相位延遲器結構示意圖
MLC-2048 E7 MDA-00-3461
圖4-3.2 MLC-2048、E7 和 MDA-00-3461 的 conoscopic patterns
24 25 26 27
0.0004 100Vrms
80Vrms
100kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time delay (ps)
圖4-3-1 (a)雙頻液晶(MLC-2048)相位延遲器在不同外加電壓下量測到的 兆赫波時域訊號
simulation 1kHz-0V 100kHz 100V
Phase shift (degree)
Applied voltage (V/Vth)
圖4-3-1 (b)雙頻液晶在不同外加電壓下的相位延遲關係圖，紅點為利用正 型液晶的操作頻率 1kHz 所得到不同外加電壓的相位減去沒有外加電壓 下的相位結果，藍點為利用負型液晶的操作頻率 100kHz 100Vrms所得到 的相位減去沒有外加電壓下的相位結果，黑色實線為理論模擬的結果。
-1.93°
Ambient temperature：23℃ 117.16°
87.76°
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0
20 40 60 80 100
simulation experiment
Phase shift (degree)
Applied voltage (V/Vth)
圖4-3-2 E7 在不同外加電壓下的相位延遲關係圖，紅點為操作頻率 1kHz 所得到不同外加電壓的相位減去沒有外加電壓下的相位結果，黑色實線 為理論模擬的結果。
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0 20 40 60 80 100 120 140
simulation experiment
Phase shift (degree)
Applied voltage (V/V
th)
圖 4-3-3 MDA-00-3461 在不同外加電壓下的相位延遲關係圖，紅點為操 作頻率 1kHz 所得到不同外加電壓的相位減去沒有外加電壓下的相位結 果，黑色實線為理論模擬的結果。
Ambient temperature：23℃
Ambient temperature：25℃
1kHz Square wave
Turn on
100kHz Square wave
Turn back 1kHz Square wave
Turn on
100kHz Square wave
Turn back
圖4-4-1.1 雙頻液晶在垂直配向下的驅動操作示意圖
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0.00020
0.00025 0.00030 0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055
0.00060 0Vrms~1kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-1.2 (a)雙頻液晶 turn on 階段利用 0Vrms~1kHz 100Vrms量測到兆赫波 訊號強度和時間之關係圖
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 0.00035
0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060
100kHz 100V
rms~1kHz 100V
rms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-1.2 (b)雙頻液晶 turn on 階段利用 100kHz 100Vrms ~1kHz 100Vrms量 測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0.00030
0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060
1kHz 100Vrms~100kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-1.3 (a)雙頻液晶 turn back 階段利用 1kHz 100Vrms ~100kHz 100Vrms
量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 100 200 300 400 500
0.00024 0.00026 0.00028 0.00030 0.00032 0.00034 0.00036 0.00038 0.00040 0.00042
1kHz 100Vrms~0Vrms(turn off)
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-1.3 (b)雙頻液晶 turn back 階段利用 1kHz 100Vrms ~0Vrms量測到兆赫 波訊號強度和時間之關係圖
0V~1kHz 100kHz~1kHz 1kHz ~100kHz 1kHz ~0V 0
100 200 300 400 500 600 700
turn on turn back
response time (s)
MLC-2048
圖4-4-1.4 垂直配向雙頻液晶 MLC-2048 反應時間比較圖
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.00030
0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060 0.00065 0.00070
0Vrms~1kHz 100Vrms 1kHz 100V
rms~0V
rms (turn off) 0Vrms~1kHz 100Vrms
1kHz 100V
rms~0V
rms (turn off) 0V~1kHz 100V
rms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-1.5 E7 樣品兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0.0001
0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
0.0008 0V
rms~1kHz 100Vrms 1kHz 100Vrms~0Vrms 0Vrms~1kHz 100Vrms 1kHz 100Vrms~0Vrms 0Vrms~1kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-1.6 MDA-00-3461 樣品兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0V~1kHz 100kHz~1kHz E7 3461
100 200 300 400 500 600 700
turn on response time (s)
圖4-4-1.7 三種液晶 turn on 反應時間的比較
1kHz ~100kHz 1kHz ~0V E7 3461 0
50 100 150 200 250 300 350 400
turn back response time (s)
圖4-4-1.8 三種液晶 turn back 反應時間的比較
side view
L
d
Copper spacer
Fused-silica substrate L＝12mm
d＝600μm
side view
L
d
Copper spacer
Fused-silica substrate L＝12mm
d＝600μm
圖4-4-2.1 水平配向相位延遲器結構示意圖
100kHz Square wave
Turn on
1kHz Square wave
Turn back 100kHz Square wave
Turn on
1kHz Square wave
Turn back
圖4-4-2.2 雙頻液晶在水平配向下的驅動操作示意圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0.00030
0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060 0.00065 0.00070
0Vrms~100kHz 100V
rms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-2.3 (a)雙頻液晶 turn on 階段利用 0Vrms~100kHz 100Vrms量測到兆赫 波訊號強度和時間之關係圖
0 300 600 900 1200 1500 1800
0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060 0.00065
0.00070 1kHz 100Vrms~100kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-2.3 (b)雙頻液晶 turn on 階段利用 1kHz 100Vrms~100kHz 100Vrms量 測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.00035
0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060 0.00065 0.00070
100kHz 100Vrms~1kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-2.4 (a)雙頻液晶 turn back 階段利用 100kHz 100Vrms~1kHz 100Vrms
量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0.00025 0.00030 0.00035 0.00040 0.00045
0.00050 100kHz 100Vrms~0Vrms(turn off)
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-2.4 (b)雙頻液晶 turn back 階段利用 100kHz 100Vrms~0Vrms量測到兆 赫波訊號強度和時間之關係圖
0V~100kHz 1kHz~100kHz 100kHz~1kHz 100kHz~0V 0
100 200 300 400 500
turn on turn back
response time (s)
MLC-2048
圖4-4-2.5 水平配向雙頻液晶 MLC-2048 反應時間比較圖
homogeneous homeotropic E7 3461
0 100 200 300 400 500 600
turn on response time (s)
圖4-4-2.6 把水平配向(0Vrms~100kHz 100Vrms)和垂直配向(100kHz 100Vrms~1kHz 100Vrms)較快的操作方式拿來和 E7、
MDA-00-3461 比較 turn on 反應時間
homogeneous homeotropic E7 3461 0
50 100 150 200 250 300 350 400
turn back response time (s)
圖 4-4-2.7 把水平配向(100kHz 100Vrms~1kHz 100Vrms)和垂直配向(1kHz 100Vrms~100kHz 100Vrms) 較 快 的 操 作 方 式 拿 來 和 E7 、 MDA-00-3461 比較 turn back 反應時間
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 0.00020
0.00025 0.00030 0.00035 0.00040
0Vrms~500Hz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-3.1 (a)垂直配向雙頻液晶 turn on 階段利用 0Vrms~500kHz 100Vrms 量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 300 600 900 1200 1500 1800 0.00018
0.00020 0.00022 0.00024 0.00026 0.00028 0.00030 0.00032
100kHz 100Vrms~500Hz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-3.1 (b)垂直配向雙頻液晶 turn on 階段利用 100kHz 100Vrms ~500kHz 100Vrms量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0.00022 0.00024 0.00026 0.00028 0.00030 0.00032 0.00034 0.00036 0.00038
500Hz 100Vrms~100kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-3.2 (a)垂直配向雙頻液晶 turn back 階段利用 500Hz 100Vrms~100kHz 100V 量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 100 200 300 400 500 0.00026
0.00028 0.00030 0.00032 0.00034 0.00036 0.00038 0.00040 0.00042
500Hz 100Vrms~0Vrms(turn off)
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-3.2 (b)垂直配向雙頻液晶 turn back 階段利用 500Hz 100Vrms~0Vrms 量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0V~500Hz 100kHz~500Hz 500Hz ~100kHz 500Hz~0V 0
50 100 150 200 250 300 350
400 turn on
turn back
response time (s)
MLC-2048
圖 4-4-3.3 垂直配向 500Hz 下雙頻液晶 MLC-2048 反應時間比較圖
0 200 400 600 800 1000 0.00030
0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055
500Hz 100Vrms~100kHz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-3.4 水平配向雙頻液晶 turn on 階段利用 500Hz 100Vrms~100kHz 100Vrms量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0 50 100 150 200 250 300 350
0.00035 0.00040 0.00045 0.00050 0.00055 0.00060
100kHz 100Vrms~500Hz 100Vrms
THz field (a.u.)
Time (s)
圖4-4-3.5 水平配向雙頻液晶 turn back 階段利用 100kHz 100Vrms~500Hz 100Vrms量測到兆赫波訊號強度和時間之關係圖
0V~100kHz 100V 500Hz 100V~100kHz 100V 100kHz 100V~500Hz 100V 100kHz 100V~0V
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
turn on turn back
response time (s)
MLC-2048
圖4-4-3.6 為水平配向雙頻液晶 MLC-2048 相位延遲器反應時間比較圖
E7 MDA-3461 500Hz 1kHz homo(500Hz) homo(1kHz) 0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
theory experiment
turn on response time (s)
圖4-4-4.1 turn on 反應時間理論和實驗比較圖
homo(500Hz) MDA-3461 E7 homo(1kHz) 500Hz 1kHz 0
100 200 300 400 500 600 700 800
theory experiment
turn back response time (s)
圖4-4-4.2 turn back 反應時間理論和實驗比較圖
500Hz E7 homo(500Hz) homo(1kHz) MDA-3461 1kHz 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
experiment theory
Total response time (s)
圖5-1.1 各種狀態下的總反應時間比較圖