Medición de polarización ferroelectrica magnético sintonizado en cristales líquidos
Summary
En este informe, presentamos un protocolo para examinar los efectos directos de magneto, es decir, la inducción de polarización ferroelectrica mediante la aplicación de campos magnéticos, en los cristales líquidos. Este protocolo proporciona un enfoque único, apoyado por la suavidad de los cristales líquidos, para lograr la temperatura magnetoelectrics.
Abstract
Materiales que muestran fenómenos de acoplamiento entre el magnetismo y la electricidad (ferro), es decir, efectos magneto, han atraído una gran atención debido a sus posibles aplicaciones para tecnologías de futuros dispositivos como sensores y almacenamiento. Sin embargo, los enfoques convencionales, que utilizan generalmente los materiales que contienen iones metálicos magnéticos (o radicales), tienen un gran problema: se han encontrado sólo unos pocos materiales para mostrar el fenómeno de acoplamiento a temperatura ambiente. Recientemente, hemos propuesto un nuevo enfoque para lograr la temperatura magnetoelectrics. En contraste con los enfoques convencionales, nuestra propuesta alternativa se centra en un material totalmente diferente, un “cristal líquido”, libre de iones metálicos magnéticos. En esos cristales líquidos, un campo magnético pueden ser utilizado para controlar el estado orientador de moléculas constituyentes y la polarización eléctrica correspondiente a través de la anisotropía magnética de las moléculas; es un mecanismo sin precedentes del efecto magneto. En este contexto, este documento ofrece un protocolo para medir propiedades ferroeléctricas inducidas por un campo magnético, es decir, el efecto magneto directo, en un cristal líquido. Con el método detallado aquí, se detectó con éxito polarización eléctrica magnéticamente sintonizado en la fase esméctica quiral C de un cristal líquido a temperatura ambiente. Junto con la flexibilidad de las moléculas constituyentes, que afecta directamente a las respuestas de magneto, el método introducido servirá para permitir que las células de cristal líquido para la adquisición de más funciones como temperatura magnetoelectrics y asociados materiales ópticos.
Introduction
La investigación sobre el magneto (ME) efecto, la inducción de polarización eléctrica (magnetización) por un campo magnético (eléctrico), se ha enfocado hacia los nuevos tipos de aplicaciones como sensores y tecnologías de almacenamiento. Con recientes estudios me multiferroicos1,2,3,4, los sistemas de destino en el campo de mi estudio se extiende a varios tipos de materiales de estado sólidos, incluyendo inorgánico, orgánico, y armazones metal-orgánicos, utilizando acoplamientos spin-lattice diestramente5,6,7,8,9. Sin embargo, operación de la temperatura, que debe realizarse para la utilización práctica de mí materiales con su ME acoplamientos, sigue siendo un problema desafiante, y un número muy limitado de materiales monofásicos se han divulgado como temperatura magnetoelectrics hasta la fecha10.
Cristales líquidos, que poseen un orden orientacional, a veces con una posición parcial, también se han examinado con respecto a ME materiales en años recientes11,12,13,14, 15. una de las ventajas de cristales líquidos que yo materiales es su temperatura de operación, como fases de cristal líquido generalmente se estabilizan alrededor de temperatura ambiente. Un ejemplo de mí cristales líquidos registrados hasta ahora es un compuesto entre nano-plaquetas magnéticas Anisotropía magnética perpendicular y cristales líquidos que muestra la fase nemática, conocida como la fase de cristal líquido más simple que posee sólo unidimensional orden orientacional15. Demuestra lo contrario ME efecto, la inducción de la magnetización por un campo eléctrico, a través de la manipulación del campo eléctrico de la plaqueta acoplada y las orientaciones moleculares.
Más recientemente, otra estrategia única para establecer el ME efecto en cristales líquidos fue propuesta16. El enfoque de esta estrategia es crear un chiral esméctica C (SmC *) fase con orden posicional unidimensional, lo que resulta en una estructura de capa difusa llamada la capa de esméctica. Una característica de la fase de SmC * es que un vector de orientación molecular n se acopla con un momento de dipolo eléctrico local p. Esta correlación es proporcionada por la combinación de la orientación inclinada de las barra-como moléculas constituyentes con respecto a la esméctica capa normal n0 y la simetría inducida de quiralidad para espejo (e inversión) en las moléculas. Desde el punto de vista de las simetrías, el primero cambia la simetría de D∞h (la denominada SmA fase, figura 1A) en C2h (el supuesto SmC fase, figura 1B) y la Este último rompe la simetría de espejo de C2h para que la simetría se reduce a C2 (SmC * fase, ver cada capa en figura 1). En cada capa de SmC *, se permite la presencia de polarización finita a lo largo del eje de2 C, que es normal a n0 y n. El acoplamiento fuerte entre n y p es esencial para la ferroelectricidad en cristales líquidos. En la SmC * fase, n se alinea de la manera helicoidal a través de la capa por capa (figura 1), y por lo tanto no existe ninguna polarización macroscópica. Ferroelectricidad en estos cristales líquidos se consigue mediante el uso de fuertes efectos de superficie, que estabilizan el estado homogéneo orientado de n conocido como superficie estabilizada ferroeléctricos cristal líquido (SSFLC) estado (figura 1). Cabe señalar que la reversión de la polarización ferroelectrica siempre acompaña una conmutación de Estados bi-estable orientación mediante el acoplamiento entre el n y p17. Como el efecto inverso, se espera que un cambio en la orientación molecular de la SmC * fase dan lugar a un cambio en la polarización eléctrica. A través de Anisotropía magnética causada por giros en elementos magnéticos o anillos aromáticos en moléculas de cristal líquido y la flexibilidad de n en un estado de cristal líquido debido a las interacciones moleculares más débiles que en estado sólido cristalino, n es también ajustable por un campo magnético. Así, la fase de SmC * puede transformarse en un estado homogéneo orientado inducida por campo magnético similar a un estado SSFLC. Por lo tanto, el directo ME efecto, la inducción de polarización eléctrica mediante un campo magnético, se logra que el desarrollo de la polarización eléctrica macroscópico es inducido por una alineación homogénea de n juntada con p, en todas las capas.
Presentamos los procedimientos para preparar las células de cristal líquido para la investigación de mí acoplamientos y metodologías para detectar el ME efecto. Un método para la preparación de las células de cristal líquido fue informada en detalle previamente18. Aquí, modificamos este método dieléctrico y yo las mediciones. Con el método detallado aquí, detectamos polarización eléctrica magnéticamente sintonizada, es decir, el directo ME efecto, en un cristal líquido que muestra SmC * fase a temperatura ambiente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los resultados experimentales mostraron que los métodos descritos aquí con éxito demostraron ME enganche en el cristal líquido. Observado efectos magneto-dieléctrico y ME puedan asociar la transición orientacional de la orientación molecular en una estructura de capa fija esméctica. Sin embargo, la capa dirección normal n0 en la estructura de la capa se puede cambiar también mediante la aplicación de un campo magnético a través de Anisotropía magnética. Esto es porque l…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Prof. Takanishi por su ayuda en nuestro experimento. También agradecemos a DIC Corporation para proporcionar los compuestos estudiados aquí. Este trabajo fue apoyado por subvenciones para el compañero de JSP (16J02711), número de concesión KAKENHI JSP 17H 01143 y el programa para el posgrado “Programa interactivo de cadete de materiales”.
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).
