本报告中，我们介绍了一种用于检测直接磁电效应的实验方案， 即，通过施加磁场在液晶中诱导铁电极化。本方案利用液晶的柔软特性，为实现室温磁电效应提供了一种独特的方法。
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本文内容
摘要
摘要
表现出磁性与（铁电）电性之间耦合现象的材料，即，磁电效应，因其在传感器和存储器件等未来技术中的潜在应用而受到广泛关注。然而，传统方法通常依赖含有磁性金属离子（或自由基）的材料，存在一个主要问题：仅有极少数材料被发现能在室温下表现出这种耦合现象。最近，我们提出了一种实现室温磁电效应的新方法。与传统方法不同，这一新策略聚焦于一种完全不同的、不含磁性金属离子的材料——"液晶"。在这种液晶中，可通过分子的磁各向异性，利用磁场调控其组成分子的取向状态以及相应的电极化；这是一种前所未有的磁电效应机制。在此背景下，本文提供了一种用于测量液晶中由磁场诱导的铁电性质（即直接磁电效应）的实验方案。通过本文详述的方法，我们成功在室温下检测到液晶的手性近晶C相中由磁场调控的电极化。结合组成分子结构的可调性（其直接影响磁电响应），该方法将有助于拓展液晶器件作为室温磁电材料及其相关光学材料的功能性。
引言
关于磁电（ME）效应（即通过磁场诱导电极化，或通过电场诱导磁化）的研究，已逐渐聚焦于传感器和存储技术等新型应用。随着近年来对磁电多铁性材料1,2,3,4的研究，磁电效应研究领域的目标体系已扩展至多种固态材料，包括无机材料、有机材料以及金属-有机框架材料，其设计充分利用了自旋-晶格耦合效应5,6,7,8,9。然而，实现室温下的操作——这是磁电材料在实际应用中发挥其磁电耦合功能所必需的条件——仍然是一个具有挑战性的问题，迄今为止，仅有极少数单相材料被报道具有室温磁电性能10。
近年来，具有取向有序性（有时还具有部分位置有序性）的液晶材料也被用于研究磁电（ME）材料11,
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方案
1. 液晶盒的制备及盒厚的测定
- 液晶盒的制备
- 将单面镀有氧化铟锡（ITO）的玻璃基板切割成所需尺寸（典型尺寸：10 × 10 × 1.1 mm，图2A）。切割时，使用玻璃刀在基板表面划出一条线，然后手动折断多余部分。
- 将切割后的玻璃基板在35 kHz的超声波清洗机中用洗涤剂清洗30分钟。随后在超声波清洗机中用去离子水冲洗10分钟。更换去离子水，重复冲洗基板5次以去除污染物（图2B）。使用气吹枪小心吹去残留水分，注意不要触碰基板的最大表面。
- 将聚酰亚胺溶液（见材料表中的取向层材料）滴加到清洗后的基板的ITO涂层面上，并以5000 rpm的转速旋涂30秒（图2C）。在200 °C下烘烤基板1小时，以去除溶剂并固化聚酰亚胺薄膜。
- 将基板放置在XZ平台上，使ITO和聚酰亚胺涂层面朝上。将基板置于覆盖有丝绒布的滚轮下方，并通过气吸固定基板（图2D）。通过调节平台高度，在基板上施加均匀且柔和的压力。
注：此处使用的XZ平台由大阪大学机械加工车间制作。 - 旋转滚轮，并在水平方向....
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结果
仅当在液晶样品中观察到磁电效应（ME效应）时，该实验方案才被视为成功。本研究中，我们对采用上述方法制备的液晶样品测量了直接ME效应。测量过程中，施加了平面内的磁场，其方向相对于摩擦方向（即层状结构的法线方向）倾斜约45°，因为在此配置下可检测到最大的磁场诱导极化16。
图9A展示了电极化强度的温度分布曲线。在SmA*相中，无论是否存在磁场，均未产生电极化，这表明SmA*相不具备磁电效应。该结果可通过SmA*相在垂直于主轴（即垂直于层状结构方向）平面上的各向同性特征得到合理解释，其点群为 D∞（可视为由SmA相的D∞h点群因镜面对称性破缺而形成）。然而，在SmC*相中，施加磁场后出现了有限的电极化。该结果证实了该液晶材料的SmC*.......
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讨论
实验结果表明，本文所述方法成功地在液晶中展示了磁电耦合效应。所观察到的磁电效应和磁介电效应可归因于固定层状结构中分子取向的取向转变。然而，通过磁各向异性施加磁场也可改变层状结构中的层法线方向n0。这是因为分子倾向于通过其磁各向异性使n与磁场方向平行排列。n0与磁场的平行排列也比SmC*相中的螺旋态（即MIFLC态）更为稳定。
为了成功观测磁电（ME）效应和磁介电效应，获得手性近晶C相（SmC*）的适当步骤至关重要。在进行相应测量之前，需先将样品加热至各向同性液相，然后在零磁场下冷却至手性近晶A相（SmA*），以使层法向 n0 沿摩擦方向排列。否则，若从具有高分子流动性的各向同性液相通过加磁场冷却至SmA*相，则可利用分子的磁各向异性使 n0.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
感谢高石教授在本实验中提供的帮助。同时感谢 DIC 公司提供本研究中所用的化合物。本工作得到了日本学术振兴会（JSPS）博士后研究基金（16J02711）、JSPS 科研费补助金（17H01143）以及“领先研究生院计划”"交互式材料研究生计划"的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料 | |||
| 化合物1：图4(A) | DIC Co., Ltd. | –N/A | PYP-8O8 |
| 化合物2：图4(B) | DIC Co., Ltd. | N/A | PYP-10O10F |
| ITO涂层玻璃基板 | Sigma-Aldrich Inc. | 703192-10PK | |
| 清洗剂 | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 031-10401 | |
| 取向层涂布液 | JSR Co., Ltd. | AL1254 | |
| 间隔子 | Teijin Film Solutions Co., Ltd. | Q51-12 | |
| 胶水 | Huntsman Inc. | ARALDITE RT30 | 用于粘合两个基板 |
| 胶水 | M&I Materials ltd. | Apiezon H Grease | 用于粘合池体与自制插入件 |
| 银浆 | Fujikura Kasei Co., Ltd. | D-753 | |
| 设备 | |||
| 超声波清洗机 | AS ONE Corp. | AS52GTU | |
| 旋涂仪 | Mikasa Co. Ltd. | 1H-D7 | |
| 偏光光学显微镜 | Nikon Co., Ltd. | ECLIPSE LV100N POL | |
| 短通滤光片 | Thorlabs Inc. | FB600-40 | |
| 光学光谱仪 | Ocean Optics Inc. | USB2000+UV-VIS | |
| 差示热分析仪 | Rigaku Co., Ltd. | Thermo plus EVO2 | |
| 超导磁体 | Quantum Design Inc. | PPMS | |
| LCR测试仪 | Keysight Technologies Ltd. | E4980A | |
| 静电计 | Keithley Instruments Inc. | 6517A |
参考文献
- Eerenstein, W., Mathur, N. D., Scott, J. F. Multiferroic and magnetoelectric materials. Nature. 442, 759-765 (2006).
- Cheong, S. -W., Mostovoy, M. Multiferroics: A magnetic twist for ferroelectricity. Nature Materials. 6, 13-20 (2007).
- Tokura, Y., Seki, S., Nagaosa, N.
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重印与许可
