近期，南京大学胡伟教授团队与南方科技大学罗丹教授等合作，在液晶软光子晶体领域取得重要进展。基于前期对蓝相液晶相变和结构操控的研究（Laser & Photonics Reviews 2024, 18, 2301283)，在本工作中，作者设计非对称的边界锚定和温度梯度，实现了多畴和图案化单畴蓝相液晶的电可控生长，进一步顺利获得二维码和几何相位全息编码展示了双稳态信息显隐。成果以“Asymmetric domain growth for bistable information hiding and revealing in blue phase liquid crystals” 为题发表在Laser & Photonics Reviews上。

研究背景 

光子晶体因其结构色而在军事、信息等领域具有重要的应用价值。软物质，如胶体、聚合物和液晶，顺利获得自组装形成光子晶体，给予了一种经济的光子晶体制备技术。其中，液晶因其丰富的自组装结构和外场刺激响应性而受到广泛关注。顺利获得图案化的外场刺激，可以定域地调节液晶光子晶体地结构色，从而顺利获得结构色的差异和一致性分别实现信息的显示和隐藏。然而，当前的技术通常需要持续的外部刺激来维持特定的显示或隐藏状态，因而增加了能耗且影响器件的稳定性。

蓝相液晶（Blue phase liquid crystal, BPLC）是一种具有三维光子晶体性质的手性液晶相。顺利获得液晶分子三维扭曲螺旋堆积，主要形成两种子相态，BP II和 BP I，分别具有可形成简单立方晶格结构和体心立方晶格结构，且晶格常数的大小为数百纳米。因此，BPLC在可见光波段具有高饱和度的结构色，并且只有当入射光的旋性与液晶分子的手性一致时才产生布拉格反射。近些年，在对BPLC施加边界锚定的研究中发现，均一取向可以诱导产生单畴/单晶BPLC，且反射率大大高于未均匀取向区域形成的多畴BPLC。因此，顺利获得这种反射率差异可以实现清晰的结构色信息显示，这也为基于BPLC实现信息隐藏和显示给予可能性。然而，要实现双稳态的信息隐藏和显示，则需要操控液晶的组装来“构造” 一个稳定的信息隐藏态，如多畴态、垂直态和各向同性态。然而后两种状态需要外场维持，不利于实现信息显隐的节能性。综上，基于BPLC实现双稳态的信息隐藏和显示的关键是在有取向的条件下还能实现多畴BPLC。

设计原理

针对上述讨论，设计了如下图所示的策略实现基于BPLC的双稳态的信息显隐。如图1a所示，液晶盒由两片ITO玻璃基板制成。其中，底部基板涂有光取向剂SD1，而顶部基板无处理。当底部基板接触热台（高温）并且顶部基板暴露于环境温度（低温），此时在液晶盒内部形成自下而上的温度梯度。为实现信息隐藏，控制热台缓慢降低其温度。由于无取向上基板的温度低，因此BP I（图1b）第一时间在其表面随机形核并生长，导致多畴BPLC。因此，记录在SD1层的信息被完全隐藏（图1c）。为实现信息显示，施加饱和研讨电场将BP I转变成垂直态。保持该状态一段时间，电致加热效应驱动LC混合物的温度接近BP I的相变点。当撤去电场后，LC自发地自组装成BPLC。图案化的均一取向边界引起LC自组装形成单畴BP I。考虑到均匀的BP晶格更加稳定，底部的均匀晶格自下而上诱导上层LC形成图案化单畴。进一步地，编码信息顺利获得BP I的单畴和多畴之间的反射率差异显现出来。顺利获得交替地控温和电驱动，可以交替地实现双稳态信息隐藏和显示。

图1 a） 非对称取向液晶盒。b） BP I晶格结构。BP I非对称畴生长诱导信息（c）隐藏（d）显示。

振幅图案显隐

为验证上述设计，在SD1层编码对应 “BPLC”的二维码。实验结果如图2所示，当样品以0.3 °C/min的速度从各向同性状态（36.0°C）缓慢冷却到BP I（30.7°C）时，整个液晶盒的BP I呈现明显的多畴。科塞尔衍射（Kossel diffraction）进一步证实内部晶格的不均匀性。因此，编码信息被成功隐藏。接着，对液晶盒施加30 V/μm的饱和研讨电场，LC转变成垂直态。保持电场60秒，样品温度被加热到31.2 °C（接近BP II-BP I的相变点31.3 °C（图2b））。撤去电场后，样品温度在30秒内回落至30.7°C（黑色虚线）。同时，取向区域的反射率迅速增加（橙色虚线），并在20秒左右趋于稳定；而未取向区域的反射率几乎不变（蓝色虚线）。由于取向区域单畴和未取向区域的多畴之间的反射率差，在偏光显微镜观察到高亮暗对比度的二维码。单畴BP I的科塞尔衍射图表明了（110）晶面与基板表面平行，且[001]晶向与取向方向的角度为28°。这一结果与双面取向液晶盒条件时一致，进一步说明底部锚定对单畴生长的诱导作用。顺利获得迅速升温（30 °C/min），LC重新变成各向同性态然后降温，样品重新回到隐藏态。经过30次循环后，样品多畴和单畴依旧保持稳定的反射率差异（图2c），说明信息显隐具有良好的抗疲劳性。

图2 a）温度和电场的联合操控实现振幅图案显隐的过程。紫色大写字母A表示底层的锚定方向。b）温度和反射率随电场持的变化。黑色、橙色/蓝色虚线分别表示取向/未取向区域的温度和反射率与时间的关系。紫色虚线表示BP II-BP I相变点（31.3 °C）。c）抗疲劳性测试。正交双向箭头表示正交偏光显微成像。比例尺表示200 μm。

进一步测试实验展示了信息显示的稳定性。第一时间，以-1 °C/min的速率冷却时，二维码保持优异的可视度（图3a）。此外，随着温度降低，过冷度逐渐增大，取向区域的BP I的反射率进一步升高，如图3b中的强度曲线所示。反射光谱显示中心反射波长和半峰全宽在温度变化过程中基本稳定（图3c）。在加热过程中二维码同样保持稳定（图S3）。其次，研究了显示信息随储存时间的稳定性。在两个正交方向上，BP I单畴外延生长宽度随储存时间逐渐生长。当样品保持120分钟时，外延宽度仅为~ 20 μm（图3d）。取向/未取向区域间的对比度保持稳定，平均值为0.8（图3d）。

图3 a）二维码在不同温度下的显微照片。b）（a）中白色虚线标记区域的强度分布。c）中心反射波长对温度的依赖性。d） 外延生长和对比度对时间的依赖性。比例尺表示100 μm。

衍射图案显隐

由于信息记录在取向层中，然后顺利获得取向层对BPLC的取向作用进而转变成BPLC的布拉格反射。因此，在电驱动的垂直态或各向同性状态下，可以刷新取向层的锚定信息从而动态展示编码信息。如上所述，[001]轴和取向方位之间的角度固定，这意味着可以顺利获得设置取向方位来控制晶格方位。瓦力棋牌瓦力使用非偏振紫外光擦除上述二维码，并顺利获得重新写入对应于远场衍射“83251476#”的锚定方位图。该图顺利获得GS算法计算“83251476#”的全息调制相位图，结合BPLC的几何相位转变而成（图4a）。图4b为用于表征的反射光路。超陆续在谱激光的偏振态由偏振片和四分之一波片控制。在信息隐藏状态下，当波长匹配的左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）入射时，屏幕只接收到镜面反射和散射（图4c）。在信息显示状态下，当入射光场的旋性与BPLC的手性匹配时，衍射屏接收到设定的衍射光场信息（图4d）。

图4 a）目标远场衍射图案和计算机生成的光取向图案。b）反射光学装置。BS：分束器，QWP：四分之一波片。几何相位（c）隐藏和（d）显示状态，从上到下：POM图像、白色虚线标记区域的强度分布、分别在隐藏和显示状态下LCP和RCP入射时的反射和衍射。比例尺表示的200 μm。

总结

区别于以往工作中调控光子晶体的结构色的方案，这项工作顺利获得调控光子晶体的反射率实现信息隐藏和显示。这一策略的实现依赖于蓝相液晶的强手性特点和双螺旋棱柱堆积结构，避免多畴结构造成对入射光的散射而降低信息显示时的可视度。随着微纳工艺的进步和材料性能的提升，蓝相液晶这一神奇而迷人的相态所蕴含的新效应、新机理将被逐渐揭开，并发挥出其在物理、光学、材料领域的特殊作用。

致谢

南方科技大学电子系博士后陈全明和南京大学现代工学院2022级博士生欧阳程为本文共同第一作者，胡伟教授和罗丹教授为共同通讯作者，南方科技大学刘言军教授给予了重要建议与指导，南京大学博士研究生谢志耀、徐春庭博士、南方科技大学博士研究生吴宗烜和闵佳媛对本文亦有重要贡献。本工作在国家重点研发计划、国家自然科研基金、江苏省自然科研基金、国家资助博士后研究人员计划的资助下完成。

作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）给予的光学元件支持和南京宁萃光学科技有限公司（NCLCP）给予的液晶材料支持。