Meten van magnetisch-Tuned ferroelektrische polarisatie in vloeibare kristallen
Summary
In dit verslag stellen we een protocol te onderzoeken van de directe magnetoelectric effecten, dat wil zeggen, inductie van ferroelektrische polarisatie door magnetische velden, in vloeibare kristallen toe te passen. Dit protocol biedt een unieke aanpak, ondersteund door de zachtheid van vloeibare kristallen, tot kamertemperatuur magnetoelectrics.
Abstract
Materialen met verschijnselen van de koppeling tussen magnetisme en elektriciteit (ferro), hebben dat wil zeggen, magnetoelectric effecten, aangetrokken veel aandacht te wijten aan hun mogelijke toepassingen voor toekomstige apparaat technologieën zoals sensoren en opslag. Conventionele benaderingen, die meestal gebruik te maken van materialen met magnetische metaalionen (of radicalen), hebben echter een groot probleem: alleen een paar materialen zijn bevonden om te laten zien van de koppeling verschijnselen bij kamertemperatuur. Onlangs, hebben wij voorgesteld een nieuwe aanpak om de kamertemperatuur magnetoelectrics. In tegenstelling tot conventionele benaderingen, ons alternatieve voorstel richt zich op een volledig ander materiaal, een “liquid crystal”, vrij van magnetische metaalionen. In deze vloeibare kristallen, kan een magnetisch veld worden gebruikt om de controle van de oriënterende staat van constituerende moleculen en de bijbehorende elektrische polarisatie via magnetische anisotropie van de moleculen; het is een ongekende mechanisme van het magnetoelectric effect. In dit verband biedt dit Witboek een protocol voor het meten van ferroelektrische eigenschappen geïnduceerd door een magnetisch veld, dat wil zeggen het rechtstreeks magnetoelectric effect, in vloeibare kristallen. Met de methode gedetailleerde hier, ontdekt wij met succes magnetisch-tuned elektrische polarisatie in de fase van de chirale smectic C van vloeibare kristallen bij kamertemperatuur. Samen met de flexibiliteit van de samenstellende moleculen, die rechtstreeks van invloed is op de magnetoelectric reacties, de geïntroduceerde methode zal dienen om vloeibare kristallen cellen te verwerven meer functies als kamertemperatuur magnetoelectrics en bijbehorende optische materialen.
Introduction
Onderzoek naar het magnetoelectric (ME)-effect, de inductie van elektrische polarisatie (magnetisatie) door een magnetische (elektrisch) veld, is gericht geweest op de weg naar de nieuwe soorten toepassingen zoals sensoren en opslagtechnologieën. Met recente studies over ME multiferroics1,2,3,4, de doelsystemen op het gebied van ME studie worden uitgebreid tot verschillende soorten solid-state materialen, met inbegrip van anorganische, organische, en Metaal-organische kaders, door gebruik te maken van de spin-lattice koppelingen viel5,6,7,8,9. Echter, kamertemperatuur operatie, die moet worden uitgevoerd voor praktische gebruik van ME materialen met hun ME koppelingen, is nog steeds een moeilijke kwestie, en een zeer beperkt aantal Enkelfasige materialen hebben gemeld als kamertemperatuur magnetoelectrics tot op heden10.
Vloeibare kristallen, die een oriënterende order, soms met een gedeeltelijke positionele bezitten, hebben ook onderzocht met betrekking tot ME materialen in afgelopen jaren11,12,13,14, 15. een van de voordelen van vloeibare kristallen als ik materialen is de temperatuur van hun werking, als vloeistof-crystal fasen zijn meestal gestabiliseerd rond kamertemperatuur. Een voorbeeld van mij vloeibare kristallen gemeld tot nu toe is een composiet tussen magnetische nano-bloedplaatjes met loodrechte magnetische anisotropie en vloeibare kristallen waaruit blijkt dat de nematic fase, bekend als de eenvoudigste fase van de vloeistof-crystal bezitten alleen eendimensionale oriënterende volgorde15. Het toont het omgekeerde ME uit te voeren, de inductie van magnetisatie door een elektrisch veld, via de veldsterkte manipulatie van de gekoppelde bloedplaatjes en moleculaire uitgangspunten.
Meer recentelijk, een andere unieke strategie om de ME effect in vloeibare kristallen voorgestelde16was. De focus van deze strategie is het creëren van een chirale smectic C (SmC *) fase met eendimensionale positionele order, wat resulteert in een diffuus lagenstructuur genaamd de smectic laag. Een kenmerk van de SmC-fase is dat een moleculaire geaardheid vector n is gekoppeld aan een lokale elektrisch dipoolmoment p. Deze correlatie is geboden door de combinatie van gekanteld oriëntatie van de staaf-achtige samenstellende moleculen met betrekking tot de smectic laag normale n0 en de chiraliteit-geïnduceerde spiegel (en inversie) symmetriebreking in de moleculen. Vanuit het oogpunt van symmetrieën, de voormalige verandert de symmetrie van D∞h (de zogenaamde SmA fase, figuur 1A) in C2h (de zogenaamde SmC fase, figuur 1B), en de laatste breekt de symmetrie van de spiegel van C2h zodat de symmetrie is verminderd in C2 (de SmC * fase, zie elke laag in Figuur 1 c). In elke SmC * laag, is de aanwezigheid van eindige polarisatie toegestaan langs de C2 -as, die normaal aan zowel n0 en n. De sterke koppeling tussen n en p is essentieel voor ferroelectricity in vloeibare kristallen. In de SmC * fase n uitgelijnd in de vertanding wijze door laag door de laag (Figuur 1 c) en er is dus geen macroscopische polarisatie. Ferroelectricity in dergelijke vloeibare kristallen wordt bereikt met behulp van sterke oppervlakte effecten, die de homogeen georiënteerde Braziliaanse deelstaat n bekend als een oppervlak-gestabiliseerde ferroelektrische vloeistof-crystal (SSFLC) staat (Figuur 1 d stabiliseren). Opgemerkt moet worden dat ferroelektrische polarisatie omkering altijd begeleidt een omschakeling van de Staten van de bi-stable oriëntatie via de koppeling tussen n en p17. Een verandering in de moleculaire oriëntatie van de SmC-fase wordt verwacht als het tegenovergestelde van het effect, aanleiding kunnen geven tot een wijziging in elektrische polarisatie. Door middel van magnetische anisotropie veroorzaakt door draaiingen op magnetische netwerkelementen en/of aromatische ringen in vloeibaar kristalmoleculen en de flexibiliteit van n in een staat van de vloeistof-crystal als gevolg van zwakkere moleculaire interacties dan in een solide crystal staat, is n ook afstembare door een magnetisch veld. Dus, de SmC-fase kan worden omgezet in een magnetisch-veld-geïnduceerde homogeen georiënteerde staat die vergelijkbaar is met een SSFLC staat. Daarom wordt de directe mij uit te voeren, de inductie van elektrische polarisatie in een magnetisch veld, zoals de ontwikkeling van macroscopische elektrische polarisatie wordt veroorzaakt door een homogene uitlijning van n p, in alle lagen gekoppeld bereikt.
Wij voeren procedures ter voorbereiding van vloeistof-crystal cellen voor het onderzoek naar ME, koppelingen en methoden voor het detecteren van de ME effect. Een methode voor de voorbereiding van de vloeistof-crystal cellen werd gemeld detail eerder18. Hier, bewerkt we deze methode voor diëlektrische en mij metingen. Met de methode gedetailleerde hier ontdekt we magnetisch-tuned elektrische polarisatie, dat wil zeggen de directe mij uit te voeren, in vloeibare kristallen waaruit de SmC-fase bij kamertemperatuur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De experimentele resultaten toonden aan dat de methoden zoals beschreven hier succesvol aangetoond de ME-koppeling in de vloeibare kristallen. De waargenomen mij en magneto-diëlektrische effecten kunnen worden gekoppeld aan de oriënterende overgang van moleculaire oriëntatie in de lagenstructuur van een vaste smectic. Echter kan de laag normale richting n0 in de lagenstructuur ook worden gewijzigd door een magnetisch veld door middel van magnetische anisotropie toe te passen. Dit k…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken Prof. Takanishi voor zijn hulp in ons experiment. Wij danken ook DIC Corporation voor de verbindingen verstrekken hier studeerde. Dit werk werd gesteund door de Grant-in-Aid voor de JSPS Fellow (16J02711), JSPS KAKENHI Grant nummer 17H 01143, en het programma voor het leiden van de gediplomeerde scholen “Interactieve materialen Cadet Program”.
Materials
| Material | |||
| Compound 1: Figure 4(A) | DIC Co., Ltd. | –N/A | PYP-8O8 |
| Compound 2: Figure 4(B) | DIC Co., Ltd. | N/A | PYP-10O10F |
| ITO-coated glass substrates | Sigma-Aldrich Inc. | 703192-10PK | |
| Detergent | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 031-10401 | |
| Alignment layer planer | JSR Co., Ltd. | AL1254 | |
| Spacer | Teijin Film Solutions Co., Ltd. | Q51-12 | |
| Glue | Huntsman Inc. | ARALDITE RT30 | For gluing two substrates |
| Glue | M&I Materials ltd. | Apiezon H Grease | For gluing a cell and homemade insert |
| Silver paste | Fujikura Kasei Co., Ltd. | D-753 | |
| Equipment | |||
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS52GTU | |
| Spin coater | Mikasa Co. Ltd. | 1H-D7 | |
| Polarized optical microscope | Nikon Co., Ltd. | ECLIPSE LV100N POL | |
| Short-pass filter | Thorlabs Inc. | FB600-40 | |
| Optical spectrometer | Ocean Optics Inc. | USB2000+UV-VIS | |
| Differential thermal analyzer | Rigaku Co., Ltd. | Thermo plus EVO2 | |
| Superconducting magnet | Quantum Design Inc. | PPMS | |
| LCR meter | Keysight Technologies Ltd. | E4980A | |
| Electrometer | Keithley Instruments Inc. | 6517A |
Riferimenti
- 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. Multiferroics of spin origin. Reports on Progress in Physics. 77, 076501 (2014).
- Fiebig, M., Lottermoser, T., Meier, D., Trassin, M. The evolution of multiferroics. Nature Reviews Materials. 1, 16046 (2016).
- Kagawa, F., Horiuchi, S., Tokunaga, M., Fujioka, M., Tokura, Y. Ferroelectricity in a one-dimensional organic quantum magnet. Nature Physics. 6, 169-172 (2010).
- Stroppa, A., et al. Electric Control of magnetization and interplay between orbital ordering and ferroelectricity in a multiferroic metal-organic framework. Angewandte Chemie International Edition. 50, 5847-5850 (2011).
- Wang, W., et al. Magnetoelectric coupling in the paramagnetic state of a metal-organic framework. Science Reports. 3, 2024 (2011).
- Gómez-Aguirre, L. C., et al. Magnetic ordering-induced multiferroic behavior in [CH3NH3][Co(HCOO)3] metal-organic framework. Journal of the American Chemical Society. 138, 1122-1125 (2016).
- Qin, W., Xu, B., Ren, S. An organic approach for nanostructured multiferroics. Nanoscale. 7, 9122-9132 (2015).
- Scott, J. F. Room-temperature multiferroic magnetoelectrics. NPG Asia Materials. 5, e72 (2013).
- Suzuki, K., et al. Influence of applied electric fields on the positive magneto-LC effects observed in the ferroelectric liquid crystalline phase of a chiral nitroxide radical compound. Soft Matter. 9, 4687-4692 (2013).
- Domracheva, N. E., Ovchinnikov, I. V., Turanov, A. N., Konstantinov, V. N. EPR detection of presumable magnetoelectric interactions in the liquid-crystalline state of an iron mesogen. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 269, 385-392 (2004).
- Tomašovičová, N., et al. Capacitance changes in ferronematic liquid crystals induced by low magnetic fields. Phys. Rev. E. 87, 014501 (2013).
- Lin, T. -. J., Chen, C. -. C., Lee, W., Cheng, S., Chen, Y. -. F. Electrical manipulation of magnetic anisotropy in the composite of liquid crystals and ferromagnetic nanorods. Applied Physics Letters. 93, 013108 (2008).
- Mertelj, A., Osterman, N., Lisjak, D., Čopič, M. Magneto-optic and converse magnetoelectric effects in a ferromagnetic liquid crystal. Soft Matter. 10, 9065-9072 (2014).
- Ueda, H., Akita, T., Uchida, Y., Kimura, T. Room-temperature magnetoelectric effect in a chiral smectic liquid crystal. Applied Physics Letters. 111, 262901 (2017).
- Clark, N. A., Lagerwall, S. T. Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquid crystals. Applied Physics Letters. 36, 899-901 (1980).
- Vantomme, G., Gelebart, A. H., Broer, D. J., Meijer, E. W. Preparation of liquid crystal networks for macroscopic oscillatory motion induced by light. Journal of Visualized Experiments. (127), e56266 (2017).
- Yang, K. H. Measurements of empty cell gap for liquid-crystal displays using interferometric methods. Journal of Applied Physics. 64 (9), 4780-4781 (1988).
- Born, M., Wolf, E. . Principles of Optics. , (1987).
- Dierking, I. . Textures of Liquid Crystals. , (2003).
- Filipič, C., et al. Dielectric properties near the smectic-C* -smectic-A phase transition of some ferroelectric liquid-crystalline systems with a very large spontaneous polarization. Physics Review A. 38, 5833-5839 (1988).
- Carlsson, T., Žekš, B., Filipič, C., Levstik, A. Theoretical model of the frequency and temperature dependence of the complex dielectric constant of ferroelectric liquid crystals near the smectic-C* -smectic-A phase transition. Physics Review A. 42, 877-889 (1990).
- Michelson, A. Physical realization of a Lifshitz point in liquid crystals. Physical Review Letters. 39, 464 (1977).
- Muševič, I., Žekš, B., Blinc, R., Rasing, T., Wyder, P. Phase diagram of a ferroelectric chiral smectic liquid crystal near the Lifshitz point. Physical Review Letters. 48, 192 (1982).
- Muševič, I., Žekš, B., Blinc, R., Rasing, T., Wyder, P. Dielectric study of the modulated smectic C*-uniform smectic C transition in a magnetic field. Physica Status Solidi(b). 119, 727-733 (1983).
- Blinc, R., Muševič, I., Žekš, B., Seppen, A. Ferroelectric liquid crystals in a static magnetic field. Physica Scripta. 35, 38-43 (1991).
- Blinov, L. M. . Electrooptical and Magnetooptical Properties of Liquid Crystals. , (1983).
