1-1 液態晶體簡介
液晶的發現可回溯到 1888 年，當時奧地利植物學者 F. Reinitzer 研 究他合成的膽固醇苯酯（Cholesteryl benzoate）（圖 1-1.1）之熔解行為時，
發現此化合物在 145℃時熔解，但卻呈混濁的狀態，加熱到 179℃時突然 成為透明的液體[1]。
後來德國物理學者 O. Lehmann 以偏光顯微鏡確認這混濁的狀態是 具有組織方向性的液體，而且具有光學雙折射的現象[2]，乃稱此狀態為 flussige kristalle，亦即今日的 liquid crystal。又因其是介於等方向性液體 及固體之間的中間狀態，亦稱之為中間相（Mesophase）。
液晶依其排列可分成向列型液晶（Nematic liquid crystal, N）、層列 型液晶（Sematic liquid crystal, S）與膽固醇型液晶（Cholesteric liquid crystal, N*）（圖 1-1.2）。其中，向列型液晶的形狀通常為長型或圓盤狀，
其結構主要特徵為，質心位置排列無秩序性，但分子的方向有一個平均 方向性，稱為方向矢（Director，即分子的對稱軸方向）。
為了達到讓液晶整齊排列的目的，通常會在液晶分子接觸的表面做 處理，表面配向可分為水平配向（Homogeneous alignment）與垂直配向
（Homeotropic alignment）（圖 1-1.3）。目前常用的水平配向方法是在表
面鍍上配向劑後，利用絨布磨刷，讓液晶分子順著磨刷方向排列。而垂 直 配 向 方 法 是 在 表 面 上 鍍 上 N, N-dimehtyl-N-octadecyl-3- aminopropyltrimethoxysilyl chloride （DMOAP），利用分子間的作用力，
使液晶垂直於表面基板[3]。
液晶的折射率（n）、介電常數（ε）、磁化率（χ）、導電度（σ）、黏 性係數（η）等物理性質具有異方性，是由於與分子長軸平行方向及垂直 方向上的值各為不同所致。因此可以利用介電常數或磁化率的異向性，
藉由外加電場或磁場的方向來改變液晶分子的排列方向。
在本論文中所使用的液晶為向 Merck 公司購買的 MDA-00-3461，屬 於 向 列 型 液 晶 。 實 驗 分 成 兩 部 分 。 第 一 部 分 為 在 兆 赫 波 段 下 研 究 MDA-00-3461 的光學性質，所製作的基板乃利用磨刷配向而成之液晶盒。
第二部分為摻雜液晶之光子晶體研究，利用磁場做液晶分子配向。
1-2 光子晶體簡介
近幾年來，光子晶體（Photonic crystal, PC）廣泛的被科學家所研究，
其主要原因為光子晶體可以控制光的輻射場和傳播特性，在1987 年，
E. Yablonovitch[4]與S. John[5]同時指出如果在電磁波的波長尺度下製作 週期性排列的介質，使介電常數成週期性或某些規則排列，則電磁波在 介質的行為將有如電子在晶體中般，亦會形成光能帶結構（Photonic band
gap, PBG），意即在某些頻率的光強度會受到破壞性干涉而呈指數衰減，
無法在光子晶體中傳播，因此當光頻率落在光子晶體能隙範圍內必然出 現全反射現象，形成一種光子的絕緣體，而光頻率落在光子晶體能隙範 圍之上，光子得以在光子晶體中傳播，形成光子的導體。
光子晶體可分為一維，二維和三維的光子晶體（圖 1-2.1），乃依其 介電值或折射率的空間週期排列性質所分，若材料折射率變化週期性為 單一軸上的稱為一維光子晶體。折射率變化週期性為雙軸上的，稱為二 維光子晶體。折射率變化週期性為三軸的，稱為三維光子晶體。本實驗 的光子晶體樣品是屬於二維週期變化的二維光子晶體。
1-3 兆赫波段技術與應用
兆赫波（又稱為次毫米波、太赫茲或遠紅外波）頻率介於紅外光與 毫米波之間（f ≈ 0.1 - 10 THz 或 λ ≈ 30 - 3000 μm）（圖 1-3.1）。從十九世 紀末期兆赫波便開始被研究學者所注意與探討。兆赫波段研究的開端，
主要由兩位科學家 H. Rubens[6]與 E. F. Nichols[7]早年研究離子晶體於 遠紅外波段特性所奠定的根基。他們兩人對岩鹽（NaCl）、鉀鹽（KCl）
與氟石（CaF2）等晶體的色散與反射光譜進行一連串的量測與分析，並 利用離子晶體的反射特性，成功地由寬頻光譜中濾出近乎單頻的光波，
將光波波長範圍由中紅外波段往遠紅外波段延伸至 50 μm 左右。此外，
他們也發現石英封裝的汞燈是一個提供兆赫波輻射的良好光源。直到目 前，此光源還廣泛被使用。兩人可說是研究兆赫波物理和技術的先驅。
[8]
兆赫波的發射源以及偵測技術曾遇到相當大的困難，但近二十年來，
由於在飛秒雷射以及半導體技術的成熟下，使其開發不僅變得可能，進 而形成電磁波研究上極力發展的波段。兆赫波之蓬勃發展來自於人們發 現其具有相當大的實用性。第一，多數的化學物質或分子在兆赫波段內 有各自的特徵吸收譜線，可了解物質的組成。藉由觀察大氣層所釋放出 的兆赫福射，可以了解大氣的組成、不同氣體的含量與分佈，進一步探 討溫室效應與臭氧層破洞的影響[9]。第二，兆赫波具有高的穿透性，兆 赫波如X光般可以穿透生物體或高分子聚合物，但由於兆赫波的能量低，
不會如X光造成破壞性的傷害，故兆赫波可以取代X光成為下一代的生醫 檢 測 工 具 。 此 外 ， 兆 赫 波 影 像 也 被 應 用 在 半 導 體 封 裝 檢 測 的 技 術 [10][11][12] 。第三， 在通訊上 ，由美 國聯邦通訊 協議 （U.S. Federal Communications Commission）所訂定出的電磁波通訊使用規範，可以看 出各個波段的通訊使用已經達到飽和，只有在兆赫波段尚未被開發（圖
1-3.2）；而且兆赫波通訊使用的超短脈衝包含非常廣泛的頻率範圍，對
軍事通訊需要的保密特性提供一個極佳的選擇[13][14]。因此，兆赫波可 望成為下一代通訊產業積極開發的方向。
1-4 研究動機與目的
本論文之目的為包含液態晶體之光子晶體於兆赫波段的光學特性與 應用，由光子晶體的理論可以得知，在兆赫波段下光子晶體的尺寸大小 約在次毫米（sub-millimeter）也就是數百微米（micrometer）的大小。近 年來已有許多研究團隊利用各種方法製作出1D、2D甚至是3D的兆赫波 光子晶體。E. Ö zbay 的研究團隊於1994年利用堆疊具有週期性排列的圖 形之矽晶片或鋁圓柱，製作出在微波範圍（數十～數百GHz）下的3D光 子 晶 體 [15][16][17][18] 。 M. Wada 的 研 究 團 隊 於 1995 年 後 利 用 在 methylpentene polymer片上鑽出具2D週期性排列的孔洞並探討此結構在 紅外光譜下的表現[19][20][21]。S. W. Wang 與N. Jukam 分別利用在矽圓 柱上鍍鎳[22]及深蝕刻的矽晶片[23]製作出2D的光子晶體。此外還有利 用UV光去聚合高分子材料產生柱狀結構[24]，直接於金屬薄片上鑽孔產 生2D的孔洞排列[25]。
另外也有研究者研究在光子晶體上浸潤液態晶體，並使用溫度控制 來調變液態晶體的折射率，進而改變光子能隙的頻率位置與寬度[26][27]，
但是在溫度控制的實驗過程中，方法及程序是相對複雜且緩慢的。因此 本論文製作一個二維的光子晶體，使用外加場方式，以磁場對液晶產生 配向，希望能製作出一個可快速控制之可調式光子晶體元件。