Mesure de polarisation ferroélectrique magnétiquement à l’écoute dans les cristaux liquides
Summary
Dans ce rapport, nous présentons un protocole afin d’examiner les effets magnétoélectrique directs, c’est-à-dire, l’induction de polarisation ferroélectrique en appliquant des champs magnétiques, dans les cristaux liquides. Ce protocole prévoit une approche unique, soutenue par la douceur des cristaux liquides, pour atteindre la température de la pièce magnetoelectrics.
Abstract
Matériaux montrant des phénomènes de couplage entre le magnétisme et l’électricité (ferro), c’est-à-diredes effets magnétoélectrique, ont attiré beaucoup d’attention en raison de leurs applications potentielles pour les technologies du futur dispositif tels que capteurs et stockage. Toutefois, les approches traditionnelles, qui utilisent généralement des matériaux contenant des ions métalliques magnétiques (ou radicaux), ont un problème majeur : seuls quelques matériaux ont été jugés pour montrer les phénomènes de couplage à la température ambiante. Récemment, nous avons proposé une nouvelle approche pour atteindre la température de la pièce magnetoelectrics. Contrairement aux approches classiques, notre proposition alternative se concentre sur un matériau complètement différent, un « cristal liquide », contre des ions métalliques magnétiques. Dans ces cristaux liquides, un champ magnétique peut être utilisé pour contrôler l’état d’orientation des molécules constituantes et la polarisation électrique correspondante à travers l’anisotropie magnétique des molécules ; C’est un mécanisme sans précédent de l’effet magnétoélectrique. Dans ce contexte, le présent document fournit un protocole pour mesurer les propriétés ferroélectriques induites par un champ magnétique, c’est-à-dire l’effet magnétoélectrique direct, dans un cristal liquide. Avec la méthode détaillée ici, nous avons détecté avec succès polarisation électrique magnétiquement à l’écoute dans la phase chirale smectique C d’un cristal liquide à température ambiante. Conjugués à la flexibilité des molécules constituantes, qui affecte directement les réponses magnétoélectrique, la méthode introduite servira pour permettre des cellules à cristaux liquides d’acquérir plus de fonctions comme la température de la pièce magnetoelectrics et associés matériaux optiques.
Introduction
Recherche sur la magnétoélectrique (moi) effet, l’induction de polarisation électrique (aimantation) par un champ magnétique (électrique), a été axée vers les nouveaux types d’applications tels que capteurs et technologies de stockage. Avec les récentes études sur moi multiferroiques1,2,3,4, les systèmes cibles dans le domaine de ME étude sont étendus aux divers types de matériaux à l’état solide, y compris inorganiques, organiques, et les cadres métallo-organiques, en utilisant des couplages spin-réseau adroitement5,6,7,8,9. Cependant, opération à température ambiante, qui doit être accomplie pour une utilisation pratique de ME matériaux avec leur ME accouplements, est toujours une question difficile, et un nombre très limité de matériaux monophasés on signale que la température ambiante magnetoelectrics à ce jour10.
Cristaux liquides, qui possèdent un ordre orientationnel, parfois avec un positionnement partiel, a aussi étudié à l’égard de ME matériaux dans ces dernières années11,12,13,14, 15. l’un des avantages des cristaux liquides comme moi matériaux est leur température de fonctionnement, que les phases des cristaux liquides sont généralement stabilisées autour de la température ambiante. Un exemple de moi cristaux liquides signalé jusqu’ici est un composite entre nano-plaquettes magnétiques avec anisotropie magnétique perpendiculaire et cristaux liquides indiquant la phase nématique, connue comme la plus simple phase cristal liquide possédant seulement unidimensionnel ordre d’orientation15. Il montre l’inverse moi en effet, l’induction de l’aimantation par un champ électrique, par le biais de la manipulation de champ électrique des plaquettes couplés et orientation moléculaire.
Plus récemment, une autre stratégie unique pour mettre en place le ME effet dans les cristaux liquides a été proposé16. Au cœur de cette stratégie consiste à créer une phase de C (SmC *) smectique chiraux avec unidimensionnel ordre positionnel, résultant en une structure de couche diffuse appelée la couche smectique. Une caractéristique de la phase de SmC * est qu’un vecteur de l’orientation moléculaire n est couplé avec un moment de dipôle électrique local p. Cette corrélation est assurée par la combinaison de basculée des molécules constituantes bâtonnet en ce qui concerne le smectique couche normale n0 et la chiralité induite par le miroir (et inversion) de symétrie dans les molécules. Du point de vue des symétries, l’ancien transforme la symétrie de D∞h (la SmA phase dite, Figure 1 a) en C2h (la SmC phase dite, Figure 1 b) et le ce dernier rompt la symétrie miroir de C2h pour que la symétrie est réduite en C2 (la SmC * phase, voir chaque couche dans la Figure 1). Dans chaque couche de SmC *, la présence de polarisation finie est autorisée le long de l’axe2 C, ce qui est normal à la fois n0 et n. Le couplage fort entre l’azote et du phosphore est essentiel pour la ferroélectricité dans les cristaux liquides. Dans la phase de SmC *, n aligne une manière hélicoïdale par couche par couche (Figure 1), et il n’y a donc aucune polarisation macroscopique. Ferroélectricité dans ces cristaux liquides est obtenue en utilisant des effets de surface solides, laquelle stabilisent l’État homogène orientée de n sous le titre un surface stabilisée ferroélectrique cristal liquide (SSFLC) État (Figure 1). Il est à noter que l’inversion de polarisation ferroélectrique toujours accompagne une commutation des États bistable orientation à travers le couplage entre n et p17. Comme l’effet inverse, un changement d’orientation moléculaire de la SmC * phase devrait donner lieu à un changement de polarisation électrique. Par le biais de l’anisotropie magnétique causée par tours sur les éléments magnétiques et/ou des cycles aromatiques en molécules de cristaux liquides et la flexibilité de n dans un état de cristal liquide en raison des interactions moléculaires plus faibles que dans un état de cristal solide, n est aussi accordable par un champ magnétique. Ainsi, la phase SmC * peut être transformée en un État homogène orienté induits par le champ magnétique similaire à un État SSFLC. Donc, le direct moi en effet, l’induction de polarisation électrique par un champ magnétique, est obtenu comme le développement de polarisation électrique macroscopique est induit par un alignement homogène de n associée à p, dans toutes les couches.
Nous introduisons des procédures pour préparer des cellules à cristaux liquides pour l’étude de ME accouplements et méthodes pour détecter la ME effet. Une méthode pour la préparation de cellules à cristaux liquides a été signalée en détail précédemment18. Ici, nous avons modifié cette méthode pour diélectrique et moi de mesures. Avec la méthode détaillée ici, nous avons détecté polarisation électrique magnétiquement à l’écoute, c’est-à-dire le direct ME réaliser, dans un cristal liquide montrant la SmC * phase à température ambiante.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les résultats expérimentaux montrent que les méthodes décrites ici avec succès démontré la ME de couplage dans les cristaux liquides. L’observé moi et effets magnéto-diélectrique peut être associées à la transition orientation orientation moléculaire dans une structure de couche smectique fixe. Toutefois, la couche direction normale n0 dans la structure de la couche peut être également modifié en appliquant un champ magnétique à travers l’anisotropie magnétique…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions le professeur Takanishi pour son aide dans notre expérience. Nous remercions également la société DIC pour fournir les composés étudiés ici. Ce travail a été soutenu par la subvention pour le boursier JSPS (16J02711), numéro de licence KAKENHI JSPS 17H 01143 et le programme pour avoir dirigé les Graduate Schools « Programme interactif de cadets des matériaux ».
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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