Измерения в жидких кристаллов сегнетоэлектриков поляризации, магнитно настроенный
Summary
В настоящем докладе мы представляем протокол для изучения прямых магнитоэлектрическим эффекты, т.е., индукции сегнетоэлектриков поляризации, применяя магнитные поля, в жидких кристаллов. Этот протокол обеспечивает уникальный подход, поддерживаемых мягкость жидких кристаллов, чтобы достичь комнатной температуры magnetoelectrics.
Abstract
Материалы, показаны явления сцепления между (Ферро) электричество и магнетизм, т.е., магнитоэлектрическим эффекты, привлекли большое внимание из-за их потенциального применения технологий будущих устройств, таких как датчики и хранения. Однако, традиционные подходы, которые обычно используют материалы, содержащие магнитные ионов металлов (или радикалов), есть серьезная проблема: только несколько материалы были найдены показать связь явлений при комнатной температуре. Недавно мы предложили новый подход к достижению комнатной температуре magnetoelectrics. В отличие от традиционных подходов наши альтернативное предложение фокусируется на совершенно другой материал, «жидкий кристалл», свободной от магнитных ионов металлов. В таких жидких кристаллов магнитное поле может использоваться для управления состоянием ориентационного составных молекул и соответствующей электрической поляризации через магнитной анизотропии молекул; Это беспрецедентный механизм магнитоэлектрическим эффекта. В этом контексте этот документ обеспечивает протокол для измерения сегнетоэлектрические свойства под воздействием магнитного поля, то есть прямой магнитоэлектрическим эффект, в жидких кристаллов. С методом, описанных здесь мы успешно обнаружен магнитно настроенный электрическая поляризация в фазе хиральная smectic C жидкого кристалла при комнатной температуре. Наряду с гибкостью составных молекул, который непосредственно затрагивает магнитоэлектрическим ответы, введен метод будет служить чтобы жидкий кристалл клетки, чтобы приобрести больше функций как комнатной температуре magnetoelectrics и связанного оптические материалы.
Introduction
Исследования на магнитоэлектрическим (меня) эффект, индукционная электрическая поляризация (намагниченности) магнитного поля (электрический), была сосредоточена на роман типы приложений, таких как датчики и технологии хранения. С недавнего исследования на меня Мультиферроики1,2,3,4, целевых систем в области меня исследование распространяются на различные типы твердотельных материалов, в том числе неорганических, органических, и металл органических структур, используя спин решетка муфты ловко5,6,,78,9. Однако температура операция, которая должна быть выполнена для практического использования меня материалы с их ME муфты, по-прежнему является сложным вопросом, и очень ограниченное количество однофазных материалы были зарегистрированы как комнатной температуры magnetoelectrics на сегодняшний день10.
Жидкие кристаллы, которые обладают ориентационного заказ, иногда с частичной позиционные один, также были изучены в отношении меня материалы в последние годы11,12,13,14, 15. одним из преимуществ жидких кристаллов, как мне материалов является их температура эксплуатации, как жидкокристаллические фазы обычно стабилизировалась около комнатной температуре. Пример мне жидких кристаллов сообщили пока является составной между магнитных нано тромбоцитов с перпендикулярной магнитной анизотропии и жидких кристаллов, показаны нематические этап, известный как этапа простейших жидкокристаллических обладая только одномерный ориентационного порядка15. Он показывает мне эффект, Конверс индукции намагниченности от электрического поля, через электрическое поле манипуляции спаренных тромбоцитов и молекулярной ориентации.
Совсем недавно, еще одна уникальная стратегия учредить ME эффект в жидких кристаллах была предлагаемая16. Суть этой стратегии заключается в создании хиральная smectic фаза C (SmC *) с одномерный позиционные порядка, что приводит к рассеянным слоя структура под названием smectic слой. Одной из характерных особенностей этапа SmC является, что молекулярной ориентации вектора n сочетается с местной Электрический дипольный момент p. Эта связь обеспечивается сочетание наклонена ориентации стержня как составных молекул smectic слой нормального n0 и хиральности индуцированной зеркало (и инверсии) симметрии в молекулах. С точки зрения симметрии, бывший сменяется симметрии от D∞h (так называемый этап SmA, рис. 1A) C2h (так называемый SmC фаза, рис. 1B) и Последний ломает зеркальной симметрии C2h , так что симметрии уменьшается в2 C(SmC * фазы, смотреть каждый слой в Рисунок 1 c). В каждом SmC * слое допускается наличие конечных поляризации вдоль оси2 C, который является нормальным n0 и n. Сильная связь между n и p имеет важное значение для Сегнетоэлектричество в жидких кристаллов. В SmC * фазы n выравнивает спиралевидные образом через слой за слоем (рис. 1 c), и таким образом нет никакого макроскопических поляризации. Сегнетоэлектричество в таких жидких кристаллов достигается с помощью сильного поверхности эффекты, которые стабилизировать состояние однородно ориентированной n известен как поверхность стабилизированный сегнетоэлектрических жидких кристаллов (SSFLC) государство (рис. 1 d). Следует отметить, что сегнетоэлектриков поляризации разворота всегда сопровождает переключения бистабильный ориентации государств через связь между n и p–17. Как обратный эффект изменение молекулярной ориентации этапа SmC, как ожидается, привести к изменению в электрической поляризации. Благодаря магнитной анизотропии, вызванные спинов на магнитные элементы и/или ароматических колец в молекулы жидких кристаллов и гибкость n в-жидкокристаллический состоянии из-за слабых молекулярных взаимодействий, чем в состоянии твердый кристалл n — также перестраиваемый с помощью магнитного поля. Таким образом этапа SmC может трансформироваться в магнитные поле индуцированной однородно ориентированной состояние похоже на состояние SSFLC. Таким образом мне эффект, прямой индукции электрической поляризацией магнитным полем, достигается как развитие макроскопических электрическая поляризация индуцируется однородной выравнивание n в сочетании с p, во всех слоях.
Мы ввести процедуры для подготовки жидкий кристалл клетки для расследования меня муфты и методологий для выявления ME эффект. Метод для подготовки жидкого кристалла клеток было сообщено в ранее подробно18. Здесь мы изменили этот метод для меня и диэлектрических измерений. С методом, описанных здесь мы обнаружили магнитно настроенный электрической поляризации, то есть, мне эффект, прямой в жидкий кристалл, показаны стадии SmC при комнатной температуре.
Protocol
Representative Results
Discussion
Результаты экспериментов показали, что методы, описанные здесь успешно продемонстрировала ME муфты на жидких кристаллах. Наблюдаемые меня и магнито диэлектрические эффекты могут быть связаны с ориентационного переходом молекулярной ориентации в структуре слоя фиксированной smectic. Одн…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим профессора Takanishi за его помощь в нашем эксперименте. Мы также благодарим DIC корпорации для обеспечения соединений учился здесь. Эта работа была поддержана субсидий для страниц JSP парень (16J02711), номер гранта KAKENHI JSP-страницы 17H 01143 и программы для ведущих выпускник школы «Интерактивные материалы Кадетская программа».
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).
