Medir a polarização ferroelétrica magneticamente sintonizado em cristais líquidos
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 D∞h (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
Representative Results
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
- 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).
