Summary

Medir a polarização ferroelétrica magneticamente sintonizado em cristais líquidos

Published: August 15, 2018
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Summary

Neste relatório, nós apresentamos um protocolo para examinar os efeitos directos magnetoelectric, i.e., indução de polarização ferroelétrica aplicando campos magnéticos, em cristais líquidos. Este protocolo fornece uma abordagem única, suportada com a suavidade de cristais líquidos, para atingir a temperatura magnetoelectrics.

Abstract

Materiais que apresentam fenômenos de acoplamento entre magnetismo e eletricidade (ferro), ou seja, efeitos magnetoelectric, têm atraído muita atenção devido a suas potenciais aplicações para tecnologias futuras dispositivo como sensores e armazenamento. No entanto, abordagens convencionais, que normalmente utilizam materiais contendo íons de metal magnéticos (ou radicais), tem um grande problema: apenas alguns materiais foram encontrados para mostrar os fenômenos de acoplamento à temperatura ambiente. Recentemente, propusemos uma nova abordagem para alcançar a temperatura magnetoelectrics. Em contraste com as abordagens convencionais, nossa proposta alternativa incide sobre um material completamente diferente, um “cristal líquido”, livre de íons metálicos magnéticos. Em tais cristais líquidos, um campo magnético pode ser utilizado para controlar o estado como orientação das moléculas constituintes e a polarização elétrica correspondente através de anisotropia magnética das moléculas; é um mecanismo sem precedentes do efeito magnetoelectric. Neste contexto, este artigo fornece um protocolo para medir propriedades ferroelétricos induzidas por um campo magnético, ou seja, o magnetoelectric efeito directo, em cristal líquido. Com o método detalhado aqui, detectamos com êxito polarização elétrica magneticamente sintonizado na fase quiral esmates C do cristal líquido à temperatura ambiente. Tomados em conjunto com a flexibilidade de moléculas constituintes, que afecta directamente as respostas magnetoelectric, o método introduzido servirá para permitir que as células de cristal líquido adquirir mais funções como temperatura magnetoelectrics e associados materiais ópticos.

Introduction

Pesquisa sobre o magnetoelectric (ME) efeito, a indução de polarização elétrica (magnetização) por um campo magnético (elétrico), concentrou-se em direção os novos tipos de aplicativos como sensores e tecnologias de armazenamento. Com recentes estudos sobre mim multiferroics1,2,3,4, os sistemas de destino no campo dos ME estudo são estendidas para vários tipos de materiais de estado sólidos, incluindo inorgânicos, orgânicos, e estruturas metal-orgânicas, utilizando-se acoplamentos spin-lattice destreza5,6,7,8,9. No entanto, operação de temperatura, que deve ser realizada para a utilização prática de mim materiais com seu ME acoplamentos, ainda é um assunto desafiador, e um número muito limitado de materiais monofásicos têm sido relatado como temperatura magnetoelectrics até à data de10.

Cristais líquidos, que possuem uma ordem como orientação, às vezes com uma posição parcial, também foram examinados em relação a mim materiais em anos recentes11,12,13,14, 15. uma das vantagens de cristais líquidos como ME materiais é sua temperatura de operação, como as fases de cristal líquido normalmente são estabilizadas em torno da temperatura ambiente. Um exemplo de mim cristais líquidos relatados até agora é um composto entre magnéticas nano-plaquetas com anisotropia magnética perpendicular e cristais líquidos, mostrando a fase nemática, conhecido como a fase de cristal líquido mais simples possuindo apenas unidimensional como orientação ordem15. Ele mostra o inverso de mim o efeito, a indução de magnetização por um campo elétrico, através da manipulação do campo elétrico das plaquetas acoplada e orientações moleculares.

Mais recentemente, outra estratégia única para estabelecer o ME efeito em cristais líquidos foi proposto16. O foco desta estratégia é criar uma fase de C (SmC *) quiral esmates com ordem posicional unidimensional, resultando em uma estrutura difusa camada chamada de camada de esmates. Uma característica da fase de SmC é que um vetor de orientação molecular n está associada a um momento de dipolo elétrico local p. Esta correlação é fornecida pela combinação de orientação inclinada das moléculas constituintes de haste-como no que diz respeito a camada de esmates normal n0 e a induzida pela quiralidade espelho (e inversão) da simetria nas moléculas. Do ponto de vista de simetrias, o antigo transforma a simetria de Dh (a chamada SmA fase, figura 1A) C2h (a chamada SmC fase, figura 1B) e o Esta última quebra a simetria de espelho de C2h para que a simetria é reduzida em C2 (fase de SmC *, ver cada camada em Figura 1). Em cada camada de SmC *, a presença de polarização finita é permitida no eixo C2 , que é normal a n0 e n. O forte acoplamento entre n e p é essencial para a Ferroeletricidade em cristais líquidos. Na fase de SmC *, n alinha na forma helicoidal através de camada por camada (Figura 1), e, portanto, não há nenhuma polarização macroscópica. Ferroeletricidade em tais cristais líquidos é conseguida usando fortes efeitos de superfície, que estabiliza o estado homogeneamente orientado de n conhecida como um superfície estabilizada ferroelétrica cristal líquido (SSFLC) Estado (Figura 1). Note-se que a reversão de polarização ferroelétrica sempre acompanha uma comutação dos Estados bi-estável orientação através do acoplamento entre n e p17. Como o efeito inverso, uma mudança de orientação molecular da fase de SmC deverá dar origem a uma mudança na polarização elétrica. Através de anisotropia magnética causada por rodadas em elementos magnéticos e/ou anéis aromáticos em moléculas de cristal líquido e a flexibilidade de n em um estado de cristal líquido devido às interações moleculares mais fracos do que em um estado de cristal sólido, n é também sintonizável por um campo magnético. Assim, a fase de SmC pode ser transformada em um campo magnético-induzido homogeneamente orientado estado semelhante a um estado SSFLC. Portanto, o direto ME afetar, a indução de polarização elétrica por um campo magnético, é alcançado como o desenvolvimento de polarização elétrica macroscópica é induzido por um alinhamento homogêneo de n juntamente com p, em todas as camadas.

Apresentamos os procedimentos para preparar células de cristal líquido para a investigação de mim acoplamentos e metodologias para detectar o ME efeito. Um método para a preparação de células de cristal líquido foi reportada em detalhe anteriormente18. Aqui, nós modificamos este método para mim e o dielétrico para medições. Com o método detalhado aqui, detectamos a polarização elétrica magneticamente sintonizado, ou seja, o direto ME efeito, em cristal líquido mostrando a fase de SmC à temperatura ambiente.

Protocol

1. preparação de células de cristal líquido e a determinação do diferencial do celular Preparação de células de cristal líquido Substratos de cortar vidro revestidos com óxido-índio/estanho (ITO) de um lado para o tamanho desejado (tamanho típico: 10 x 10 x 1,1 mm, Figura 2A). Para cortar os substratos, riscar uma linha na sua cara com um cortador de vidro e quebrar o excesso de vidro manualmente. Lave os substratos de vidro lapid…

Representative Results

O protocolo é considerado um sucesso somente se o ME efeito em amostras de cristal líquido é observada. Aqui, Nós medimos o direto ME efeito em uma amostra de cristal líquido, preparada pelos procedimentos acima mencionados. Para as medições, aplicou-se um campo magnético de no plano com o ângulo inclinado por cerca de 45° a partir da direção de atrito (normal para camadas de esmates), porque esta configuração16, foi detectada a polarização magnéti…

Discussion

Os resultados experimentais mostraram que os métodos descritos aqui com sucesso demonstraram o ME acoplamento no cristal líquido. Observado ME e efeitos magneto-dielétrico podem ser associados a transição como orientação de orientação molecular em uma estrutura de camada de esmates fixo. No entanto, a camada normal sentido n0 na estrutura de camada pode ser também alterado aplicando um campo magnético através de anisotropia magnética. Isso ocorre porque as moléculas pref…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos sua ajuda Prof Takanishi na nossa experiência. Agradecemos também DIC Corporation para fornecer os compostos estudados aqui. Este trabalho foi financiado por subsídio para o companheiro JSPS (16J02711), número de concessão de KAKENHI JSPS 17H 01143 e o programa para principais escolas de pós-graduação “Programa interativo materiais cadete”.

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

References

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Cite This Article
Ueda, H., Akita, T., Uchida, Y., Kimura, T. Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (138), e58018, doi:10.3791/58018 (2018).

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