高折射率双折射有机固体晶体及其制造方法与流程

本公开内容总体上涉及光学晶体，并且更具体地，涉及高折射率光学晶体及其制造方法。

背景技术：

0、背景

1、视觉上吸引人的、重量轻、紧凑且节能的消费电子装置处于高需求。因此，期望设计在这些装置中使用的光学元件或光学器件，使得这些装置可以是自适应的、光学高效的、重量轻的、紧凑的和宽带的。

2、用于制造具有增强的光学性能和物理性质的光学器件的技术已经成为研究和开发的有吸引力的课题。液晶(“lc”)已经被用于制造偏振选择光学元件。偏振选择光学元件的光学特性可以取决于lc的折射率和/或双折射率。目前可用的lc可以被配制成实现约1.97的大折射率和约0.3的大双折射率。基于具有较高折射率的材料的光学元件对于减小尺寸和重量以及增强光学特性是高度合意的。

技术实现思路

0、概述

1、存在对具有高折射率的材料的需求。此外，具有高折射率和高双折射率的材料具有另外的益处。本文描述的方法允许制造具有高折射率的有机固体晶体。在一些配置中，通过本文描述的方法制造的有机固体晶体具有足够大的尺寸以构成光学元件或在光学元件上提供连续的包覆层，从而允许光学元件的改进的性能。

2、例如，为了制造可以支持大视场的波导合路器(waveguide combiner)，具有高于1.9的折射率的材料是期望的。此外，当波导合路器被包括在头戴式显示器中时，具有低密度的材料是期望的。有机固体晶体具有高折射率和低密度，从而能够实现具有大视场和低密度的波导合路器。此外，高折射率双折射材料可以用于多种其他光学部件，诸如菲涅耳透镜、超透镜和偏振选择光栅。通过仔细调整晶体生长路径，有机固体晶体可以在具有精确控制的折射率取向的平坦基底或弯曲基底上生长。本文描述了这样的有机晶体材料和生长具有高折射率和双折射率的大尺寸固体晶体的工艺。

3、根据一些实施方案，光学膜包括由连续的有机固体晶体形成的有机固体晶体膜，该有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。

4、根据一些实施方案，所述第二尺寸不小于三厘米。

5、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜是弯曲的或平坦的。

6、根据一些实施方案，所述光学膜的折射率为至少1.6。

7、根据一些实施方案，在垂直于或平行于由所述有机固体晶体膜界定的表面的方向上测量的所述光学膜的折射率为至少1.6，并且所述有机固体晶体膜的光学各向异性为至少0.03。

8、根据一些实施方案，所述光学膜的光学各向异性为至少0.1。

9、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜包括单晶或多晶。

10、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜包括一种或更多种选自由以下组成的组的有机晶体：萘、蒽、并四苯、并五苯、芘、多烯、荧蒽、二苯甲酮、苯并色烯、苯偶酰、苯并咪唑、苯、六氯苯、硝基吡啶-n-氧化物、苯-1,4-二甲酸、二苯基乙炔、n-(4-硝基苯基)-(s)-脯氨醛、4,5-二氰基咪唑、苯并二噻吩、氰基吡啶、噻吩并噻吩、二苯乙烯、偶氮苯及其衍生物。

11、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜包括一个或更多个环结构，所述环结构包含选自由环己烷、环戊烷、四氢吡喃、哌啶、四氢呋喃、吡咯烷、四氢噻吩及其衍生物组成的组的饱和环状基团以及选自由苯、萘、蒽、噻吩、联苯、二苯乙炔、苯并咪唑、二苯基乙炔、氰基吡啶、噻吩并噻吩、二苯并噻吩、咔唑、硅芴及其衍生物组成的组的不饱和芳族基团。

12、根据一些实施方案，所述一个或更多个环结构与以下中的一种或更多种耦合：c1-c10烷基、烷氧基、烯基基团、-cn、-ncs、-scn、-sf5、-br、-cl、-f、-ocf3、-cf3和单氟化的或多氟化的c1-c10烷基或烷氧基。

13、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜包括一种或更多种结晶聚合物，所述一种或更多种结晶聚合物具有带有芳族烃或杂芳烃基团及其衍生物的前体，其中所述一种或更多种结晶聚合物选自由以下组成的组：聚萘二甲酸乙二醇酯、聚(乙烯基苯硫醚)、聚(α-甲基苯乙烯)、聚噻吩并噻吩、聚噻吩、聚(n-乙烯基邻苯二甲酰亚胺)、聚对二甲苯、多硫化物、聚砜、聚(溴苯基)、聚(乙烯基萘)和具有前体的液晶聚合物。

14、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜是以下的组合：具有脂族基团、杂脂族基团、芳族烃基团或杂芳烃基团的无定形聚合物；脂肪酸、脂质或增塑剂；和表面活性剂，所述表面活性剂包括具有单氟化的或多氟化的烷基基团或烷氧基基团的分子。

15、根据一些实施方案，所述有机固体晶体膜包括一种或更多种有机晶体，所述有机晶体选自由以下的有机固体晶体分子组成的组：

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20、

21、

22、

23、其中r、r1和r2独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、甲氧基(ome)、乙氧基(oet)、异丙氧化物(oipr)、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、异丙基(ipr)、丙基(pr)、叔丁基(t-bu)、仲丁基(sec-bu)、乙基(et)、乙酰基、sh、s-甲基(sme)、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、n-二甲基(nme2)、n-甲基(nmeh)和c2h2。

24、根据一些实施方案，所述光学膜用于制造波导合路器、衍射透镜或偏振选择光栅。

25、根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括使用物理气相传输在具有受控成核表面的基底上沉积来自源材料的蒸发的有机晶体分子；和在所述受控成核表面上使所述蒸发的有机晶体分子重结晶，从而形成包括连续的有机固体晶体的光学膜，该有机固体晶体膜具有不小于100mm的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。

26、根据一些实施方案，所述受控成核表面包括以下中的一种或更多种：sio2、熔凝硅石、石英、有机硅、硅氧烷、硅、sic、蓝宝石和具有氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团或杂芳烃基团的聚合物。

27、根据一些实施方案，所述受控成核表面包括非聚合物基包覆层，所述非聚合物基包覆层选自硅烷基氟化基团、烷基基团、环状脂族基团、环状芳族基团、杂芳烃基团、有机小分子基晶体、以及以下中的任一种：

28、

29、其中r3独立地选自由以下组成的组：ch3、h、oh、甲氧基(ome)、乙氧基(oet)、异丙氧化物(oipr)、f、cl、br、i、ph、no2、so3、so2me、异丙基(ipr)、丙基(pr)、叔丁基(t-bu)、仲丁基(sec-bu)、乙基(et)、乙酰基、sh、s-甲基(sme)、羧基、醛、酰胺、腈、酯、so2nh3、nh2、n-二甲基(nme2)、n-甲基(nmeh)和c2h2。

30、根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括获得具有一个或更多个成核部分和与一个或更多个成核部分耦合的晶体生长部分的安瓿状物(ampoule)。安瓿状物填充有有机固体晶体源材料。该方法还包括将安瓿状物放置在腔室的第一空间内，从而将有机固体晶体源材料加热至熔化状态，第一空间具有第一温度，腔室还具有具有第二温度的第二空间，第一空间和第二空间由门(gate)隔开。该方法还包括将安瓿状物从腔室的第一空间转移至腔室的第二空间，从而使有机固体晶体源材料重结晶，以形成连续的有机固体晶体膜，该连续的有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。

31、根据一些实施方案，所述安瓿状物还包括：底架，所述底架界定所述一个或更多个成核部分和所述晶体生长部分，所述底架包括：双壁结构，其具有第一壁和第二壁，所述双壁至少部分地包围所述一个或更多个成核部分的相应成核区域以及所述晶体生长部分；和缓冲材料，其被放置在所述第一壁和所述第二壁之间。

32、根据一些实施方案，所述安瓿状物包括与所述有机固体晶体源材料接触的受控成核表面。

33、根据一些实施方案，制造光学膜的方法包括在基底的改性表面上包覆有机晶体分子和溶剂的溶液，并且通过区域退火改变沉积在基底的改性表面上的有机晶体分子和溶剂的溶液的温度，从而使有机晶体分子结晶以形成连续的有机固体晶体膜，该连续的有机固体晶体膜具有不小于100微米的第一尺寸和不小于1厘米的不同于第一尺寸的第二尺寸。