Messung der magnetisch gestimmten ferroelektrische Polarisation in Flüssigkristallen
Summary
In diesem Bericht stellen wir ein Protokoll zur Prüfung durch die Anwendung der Magnetfelder in Flüssigkristallen direkte magnetoelectric Effekte, d. h., Induktion von ferroelektrische Polarisation. Dieses Protokoll bietet einen einzigartigen Ansatz, unterstützt durch die Weichheit von Flüssigkristallen, Raumtemperatur Magnetoelectrics zu erreichen.
Abstract
Materialien zeigen Kupplung Phänomene zwischen Magnetismus und Elektrizität (Ferro), zog d.h., magnetoelectric Effekte, viel Aufmerksamkeit durch ihre Einsatzmöglichkeiten für zukünftige Technologien wie Sensoren und Lagerung. Herkömmliche Ansätze, die in der Regel Materialien mit magnetischen Metall-Ionen (oder radikale) nutzen zu können, haben jedoch ein großes Problem: nur wenige Materialien sind gefunden worden, um die Kupplung Phänomene bei Raumtemperatur zeigen. Vor kurzem haben wir vorgeschlagen, einen neuen Ansatz zur Raumtemperatur Magnetoelectrics zu erreichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen konzentriert sich unsere alternative Vorschlag auf ein völlig anderes Material, ein “Liquid Crystal”, frei von magnetischen Metall-Ionen. In solchen Flüssigkristalle kann ein Magnetfeld genutzt werden, um den tatsächlichen Zustand konstituierenden Moleküle und die entsprechende elektrische Polarisation durch magnetische Anisotropie der Moleküle Steuern; Es ist eine noch nie da gewesenen Einheit des Effektes, magnetoelectric. Dieses Papier stellt in diesem Zusammenhang ein Protokoll zur Messung der ferroelektrischer Eigenschaften induziert durch ein Magnetfeld, das heißt, die unmittelbare magnetoelectric Wirkung in einem Flüssigkristall. Mit der hier beschriebenen Methode erkannt wir erfolgreich magnetisch-abgestimmte elektrische Polarisation in der chiralen Smectic C-Phase von einem Flüssigkristall bei Raumtemperatur. Zusammen mit der Flexibilität der konstituierenden Moleküle, die direkt die magnetoelectric Antworten betrifft, die eingeführte Methode wird dazu dienen, Flüssigkristall-Zellen mehr Funktionen als Raumtemperatur Magnetoelectrics erwerben können und verknüpft Optische Materialien.
Introduction
Forschung über die magnetoelectric (ME) Wirkung, die Induktion elektrische Polarisation (Magnetisierung) durch ein Magnetfeld (elektrisch), konzentriert sich auf die neue Arten von Anwendungen wie Sensoren und Speichertechnologien. Mit den letzten Studien über mich Multiferroics1,2,3,4, die Zielsysteme im Bereich der mir Studie werden auf verschiedene Arten von Solid-State-Materialien, einschließlich der anorganischen, organischen, ausgedehnt und Metall-organischen Rahmenbedingungen durch die Verwendung von Spin-Gitter-Kupplungen geschickt5,6,7,8,9. Jedoch Raumtemperatur Operation, die für die praktische Nutzung von mir gelöst werden muss Materialien mit ihren ME Kupplungen, ist immer noch eine Herausforderung und eine sehr begrenzte Anzahl von einphasigen Materialien als Raumtemperatur gemeldet wurden Magnetoelectrics10bisher.
Flüssige Kristalle, die einen Parlamentsbeschluss Auftrag, manchmal durch eine partielle positionelle, besitzen auch in Bezug auf mich geprüft wurden Materialien in den letzten Jahren11,12,13,14, 15. einer der Vorteile der flüssigen Kristalle als mir Materialien ist ihre Betriebstemperatur als Flüssigkristall Phasen in der Regel um Raumtemperatur stabilisiert werden. Ein Beispiel von mir Flüssigkristalle bisher beschrieben ist ein Verbund zwischen magnetischen Nano-Plättchen mit senkrecht magnetische Anisotropie und flüssige Kristalle zeigen die nematische Phase, bekannt als die einfachste Flüssigkristall Phase besitzen nur eindimensional Orientierungskurse Bestellung15. Es zeigt das Gegenteil Wirkung auf mich, die Induktion der Magnetisierung durch ein elektrisches Feld, durch die Feldstärke Manipulation der gekoppelten Thrombozyten und molekulare Ausrichtung.
Seit kurzem eine weitere einzigartige Strategie für die ME etablieren Effekt in Flüssigkristallen vorgeschlagenen16war. Der Schwerpunkt dieser Strategie ist die Schaffung eine chiralen Smectic C (SmC *) Phase mit eindimensionalen positionellen Reihenfolge, was zu einer diffusen Schichtaufbau genannt die Smectic Schicht. Kennzeichnend für die SmC * Phase ist, dass eine molekulare Ausrichtung Vektor n mit einem lokalen Elektrisches Dipolmoment pgekoppelt ist. Dieser Zusammenhang wird durch die Kombination von gekippten Orientierung der stabförmigen konstituierenden Moleküle in Bezug auf die Smectic Schicht normal n0 und die Chiralität-induzierte Spiegel (und Umkehrung) Symmetrie brechen in den Molekülen zur Verfügung gestellt. Aus der Sicht von Symmetrien, die ehemalige verwandelt sich die Symmetrie von D∞h (die so genannte SmA Phase, Abb. 1A) in C2h (die so genannte SmC Phase, Abbildung 1 b), und die letzteren bricht die Spiegelsymmetrie von C2h , damit die Symmetrie in C2 reduziert wird (der SmC * Phase, siehe jede Schicht in Abbildung 1). In jedem SmC * Layer darf das Vorhandensein von endlichen Polarisierung entlang der C-Achse2 , das ist normal, n0 und n. Die starke Kopplung zwischen n und p ist essentiell für Ferroelectricity in Flüssigkristallen. In der SmC * Phase n richtet in der spiralförmige Weise durch Schicht für Schicht (Abbildung 1), und folglich gibt es keine makroskopischen Polarisation. Ferroelectricity in solchen Flüssigkristalle wird erreicht, indem starke Oberflächeneffekte, die homogen orientierten Bundesstaat n bekannt als Oberfläche stabilisiert Ferroelektrischen Flüssigkristall (SSFLC) Staat (Abbildung 1) zu stabilisieren. Es sei darauf hingewiesen, dass ferroelektrische Polarisation Umkehr immer begleitet ein Umschalten der Bi-stabile Ausrichtung Staaten durch die Kopplung zwischen n und p17. Als die umgekehrte Wirkung dürfte eine Änderung der molekularen Orientierung der SmC * Phase führen zu einer Änderung der elektrischen Polarisation. Durch magnetische Anisotropie durch Drehungen auf magnetischen Elemente und/oder aromatische Ringe in Flüssigkristall Moleküle und die Flexibilität des n in einem Flüssigkristall Zustand aufgrund von schwächeren molekularen Wechselwirkungen als in einem festen Kristall Zustand verursacht ist n auch abstimmbaren durch ein magnetisches Feld. So kann die SmC * Phase in ein magnetisches Feld induziert homogen orientierten Staat ähnlich wie ein SSFLC Zustand umgewandelt werden. Daher wird die direkte Wirkung auf mich, die Induktion elektrische Polarisation durch ein Magnetfeld erreicht, da die Entwicklung der makroskopischen elektrischen Polarisierung durch eine einheitliche Ausrichtung der n gepaart mit p, in allen Schichten induziert wird.
Wir stellen Verfahren zur Vorbereitung Flüssigkristall Zellen für die Untersuchung von mir Kupplungen und Methoden zur Erkennung der ME Wirkung. Eine Methode für die Vorbereitung der Flüssigkristall Zellen berichtet wurde, in detail vorher18. Hier haben wir modifiziert diese Methode für mich und dielektrische Messungen. Mit der hier beschriebenen Methode erkannt wir magnetisch-abgestimmte elektrische Polarisation, d. h. der direkten Wirkung auf mich, in einem Flüssigkristall zeigt die SmC * Phase bei Raumtemperatur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die erfolgreich hier beschriebenen Methoden die Kupplung in der Flüssigkristall ME gezeigt. Die beobachteten mich und Magneto-Dielektrikum Effekte verbunden mit dem Parlamentsbeschluss Übergang der molekularen Orientierung in einer festen Smectic Schichtaufbau kann. Die Schicht Normalenrichtung n0 in den Schichtaufbau kann jedoch auch geändert werden, durch Anlegen eines Magnetfeldes durch magnetische Anisotropie. Und zwar deshalb, weil …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Prof. Takanishi für seine Hilfe in unserem Experiment. Wir danken auch DIC Corporation bietet die Verbindungen hier untersucht. Diese Arbeit wurde unterstützt durch Beihilfe für JSPS-Fellow (16J02711), JSPS KAKENHI Grant-Nummer 17H 01143 und das Programm für die führenden Graduate Schools “Interaktive Materialien Cadet Programm”.
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).
