מדידה מגנטית, מכוון קיטוב Ferroelectric גבישי נוזלי
Summary
בדו ח זה, אנו מציגים פרוטוקול לבחון תופעות magnetoelectric ישירה, כלומר, אינדוקציה של קיטוב ferroelectric על-ידי החלת שדות מגנטיים, גבישי נוזלי. פרוטוקול זה מספק גישה ייחודית, נתמך על ידי הרכות של גביש נוזלי, כדי להשיג magnetoelectrics בטמפרטורת החדר.
Abstract
חומרים מציג תופעות צימוד בין מגנטיות וחשמל (פרו), דהיינו, אפקטים magnetoelectric, משכו הרבה מאוד תשומת לב בשל שלהם יישומים אפשריים עבור ההתקן בעתיד טכנולוגיות כגון חיישנים ואמצעי האחסון. עם זאת, גישות קונבנציונליות, אשר בדרך כלל משתמשות בחומרים המכילים יונים מתכתיים מגנטי (או רדיקלים), יש בעיה רצינית: נמצאו רק כמה חומרים כדי להראות את התופעות צימוד בטמפרטורת החדר. לאחרונה, אנחנו הציע גישה חדשה כדי להשיג magnetoelectrics בטמפרטורת החדר. בניגוד גישות קונבנציונליות, את ההצעה החלופית שלנו מתמקד חומר שונה לחלוטין, “גביש נוזלי”, ללא יונים מתכתיים מגנטי. גבישי נוזלי כזה, שדה מגנטי יכול להיות מנוצל כדי לשלוט המדינה orientational של מולקולות המרכיבים אותה, קיטוב חשמלי המתאים דרך מגנטי. בנוגע למקורו של המולקולות; זה מנגנון חסר תקדים של האפקט magnetoelectric. בהקשר זה, מאמר זה מספק פרוטוקול למדוד מאפיינים ferroelectric המושרה על ידי שדה מגנטי, כלומר, magnetoelectric השפעה ישירה, בתוך גביש נוזלי. בשיטת מפורטות כאן, בהצלחה שהבחנו דיסקות, מכוון קיטוב חשמלי בשלב כיראלי smectic C של גביש נוזלי בטמפרטורת החדר. נלקח יחד עם הגמישות של מולקולות המרכיבים אותה, המשפיע ישירות על התגובות magnetoelectric, שיטת הציג ישמש כדי לאפשר גביש נוזלי תאים לרכוש פונקציות נוספות כמו magnetoelectrics בטמפרטורת החדר, הקשורים חומרים אופטיים.
Introduction
מחקר על magnetoelectric (לי) אפקט, תנאי הגיוס של קיטוב חשמלי (מגנוט) על-ידי שדה מגנטי (חשמלי), התמקדה כלפי סוגי יישומים כגון חיישני טכנולוגיות אחסון חדשניים. עם האחרונות מחקרים על לי multiferroics1,2,3,4, מערכת היעד בתחום לי מחקר מורחבות לסוגים שונים של חומרים של מצב מוצק, כולל אי-אורגנית, אורגני, ו מסגרות מתכת-אורגנית, על ידי ניצול ספין-סריג זיווגים הזריזות5,6,7,8,9. עם זאת, המבצע בטמפרטורת החדר, אשר חייב להתבצע על ניצול מעשי של לי חומרים עם הפתולוג המצמדים, הוא עדיין נושא מאתגר ולאחר מספר מוגבל מאוד של חומרים חד-פאזי דווחו גם בטמפרטורת החדר magnetoelectrics עד היום10.
גביש נוזלי, אשר מחזיקים פקודה orientational, לפעמים עם אחד לפי מיקום חלקית, נבדקו גם ביחס לי חומרים בשנים האחרונות11,12,13,14, 15. אחד היתרונות של גביש נוזלי כמוני חומרים הוא טמפרטורת הפעולה שלהם, כמו גביש נוזלי שלבים בדרך כלל התייצבו סביב בטמפרטורת החדר. דוגמא ממני גביש נוזלי שדווחו עד כה הוא שילוב בין ננו-טסיות מגנטי עם חיזקו מגנטי בניצב בגבישים נוזליים מציג שלב nematic, המכונה השלב גביש נוזלי הפשוטה השתלט רק חד-ממדי סדר orientational15. זה מראה היפוכה לי השפעה, אינדוקציה של מגנטיזציה על ידי שדה חשמלי, באמצעות מניפולציה שדה חשמלי של טסיות בשילוב וכיוונים מולקולרית.
יותר לאחרונה, אסטרטגיה ייחודי נוסף כדי לקבוע מה השפעה של גביש נוזלי היה המוצע16. המוקד של אסטרטגיה זו היא ליצור שלב C (SmC *) smectic כיראלי עם סדר לפי מיקום חד-ממדי, וכתוצאה מכך מבנה שכבה כשמאירים בשם השכבה smectic. מאפיין אחד של שלב SmC * הוא וקטור כיוון מולקולרית של n זה משולב עם מומנט דיפול חשמלי מקומי p. המתאם הזה מסופק על ידי השילוב של מוטה אוריינטציית המולקולות המרכיבים אותה כמו רוד את smectic שכבה רגילה n0 , כיראליות-induced ראי (והיפוך) הסימטריה לשבור המולקולות. מנקודת מבט של סימטריות, לשעבר משנה את הסימטריה של D∞h (מה שנקרא SmA שלב, איור 1A) לתוך C2h (מה שנקרא SmC שלב, איור 1B), ו האחרון שובר את הסימטריה מראה של2 Ch כך הסימטריה מצטמצם לתוך C2 (SmC * השלב, ראה כל שכבה ב איור 1C). בכל SmC * שכבה, הנוכחות של קיטוב סופיים מותר לאורך ציר2 C, תופעה נורמלית כדי n0 ו- n. צימוד חזק בין n ו- p חיונית ferroelectricity גבישי נוזלי. בשלב SmC *, n יישור באופן סליליים דרך שכבה אחרי שכבה (איור 1C), לכן יש קיטוב מאקרוסקופית. אין. Ferroelectricity גבישי נוזלי כזה מושגת על ידי שימוש באפקטים משטח חזק, אשר לייצב את המדינה homogeneously אוריינטציה של n הידועה כמדינה מיוצב משטח ferroelectric גביש נוזלי (SSFLC) (איור 1D). יצוין, כי היפוך קיטוב ferroelectric תמיד מלווה של מיתוג של הברית bi יציב כיוון דרך צימוד בין n ו- p17. כמו האפקט ההפוך, צפוי שינוי אוריינטציה המולקולרית של שלב SmC * להצמיח שינוי קיטוב חשמלי. דרך חיזקו מגנטי הנגרמת על ידי ספינים מגנטי רכיבים ו/או הארומטיות מולקולות גביש נוזלי, הגמישות של n במצב גביש נוזלי בגלל אינטראקציות מולקולריים חלשים יותר מאשר במצב גביש מוצק, n הוא גם tunable על-ידי שדה מגנטי. לכן, השלב SmC * יכול להיהפך למצב מגנטי-שדה-induced homogeneously בכיוון דומה למצב SSFLC. לכן, ישיר לי השפעה, אינדוקציה של קיטוב חשמלי על ידי שדה מגנטי, מושגת גם הפיתוח של קיטוב חשמלי מאקרוסקופית הנגרמת על ידי יישור הומוגנית של n בשילוב עם p, בכל הרבדים.
אנחנו מציגים את ההליכים כדי להתכונן גביש נוזלי תאים החקירה של לי זיווגים ומתודולוגיות כדי לזהות מה האפקט. שיטה עבור הכנת גביש נוזלי תאים דווח פירוט בעבר18. כאן, אנחנו ששינה בשיטה זו עבורי ועבור דיאלקטרי מדידות. בשיטת מפורטות כאן, אנחנו זוהה דיסקות, מכוון קיטוב חשמלי, כלומר, ישיר לי השפעה, גביש נוזלי מציג שלב SmC * בטמפרטורת החדר.
Protocol
Representative Results
Discussion
תוצאות הניסוי הראו כי בשיטות המתוארות כאן בהצלחה המחישו את ME צימוד של הגביש הנוזלי. התצפיות לי ואפקטים מגנטו-דיאלקטרי ניתן לשייך המעבר orientational של אוריינטציה המולקולרית בתוך מבנה שכבה smectic קבוע. עם זאת, שכבה רגילה כיוון n0 במבנה שכבה ניתן לשנות גם על-ידי החלת שדה מגנטי דרך…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים פרופסור Takanishi לעזרתו בניסוי שלנו. אנו מודים גם חברת DIC עבור מתן תרכובות למד כאן. עבודה זו נתמך על ידי מענק הסיוע עבור הבחור JSPS (16J02711), JSPS KAKENHI גרנט מספר 17H 01143, ואת התוכנית מובילים בעולם בוגר בתי הספר “תוכנית אינטראקטיבית לחניכים חומרים”.
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 |
Referenzen
- 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).
