قياس الاستقطاب Ferroelectric ضبطها مغناطيسيا بالبلورات السائلة
Summary
وفي هذا التقرير، نقدم بروتوكولا لدراسة الآثار المباشرة ماجنيتوليكتريك، أي، التعريف ferroelectric الاستقطاب عن طريق تطبيق المجالات المغناطيسية، والبلورات السائلة. يوفر هذا البروتوكول نهجاً فريداً، تدعمها ليونة البلورات السائلة، لتحقيق ماجنيتوليكتريكس درجة حرارة الغرفة.
Abstract
مواد تبين الظواهر اقتران بين المغناطيسية والكهرباء (فيرو)، أيآثار ماجنيتوليكتريك، وقد اجتذبت قدرا كبيرا من الاهتمام نظراً لتطبيقاتها المحتملة لتكنولوجيات المستقبل الجهاز مثل أجهزة الاستشعار والتخزين. ومع ذلك، النهج التقليدية، التي عادة ما تستخدم المواد التي تحتوي على أيونات المعادن المغناطيسية (أو الجذور)، قد يمثل مشكلة رئيسية: تم العثور على مواد قليلة فقط لإظهار الظواهر اقتران في درجة حرارة الغرفة. في الآونة الأخيرة، اقترحنا مقاربة جديدة لتحقيق ماجنيتوليكتريكس درجة حرارة الغرفة. على عكس النهج التقليدية، ولدينا اقتراح بديل يركز على مادة مختلفة تماما، “كريستال السائل”، خالية من أيونات المعادن المغناطيسية. في هذه البلورات السائلة، يمكن استخدام حقل مغناطيسي لمراقبة الدولة أورينتاشونال من الجزيئات المكونة لها والاستقطاب الكهربائي المقابلة من خلال تباين المغناطيسي من الجزيئات؛ أنها إليه لم يسبق لها مثيل أثر ماجنيتوليكتريك. وفي هذا السياق، تقدم هذه الورقة وضع بروتوكول لقياس خصائص ferroelectric الناجمة عن مجال المغناطيسي، هو التأثير المباشر ماجنيتوليكتريك، في كريستال السائل. بطريقة مفصلة هنا، نحن بنجاح الكشف عن ضبطها مغناطيسيا الاستقطاب الكهربائي في المرحلة سميكتيك مراوان ج من الكريستال السائل في درجة حرارة الغرفة. جنبا إلى جنب مع مرونة الجزيئات المكونة لها، مما يؤثر تأثيراً مباشرا على الردود ماجنيتوليكتريك، طريقة عرض سيعمل على السماح بالحصول على المزيد من الدالات كدرجة حرارة الغرفة ماجنيتوليكتريكس الخلايا الكريستال السائل والمرتبطة المواد البصرية.
Introduction
البحث في ماجنيتوليكتريك (لي) الأثر، تحريض الاستقطاب الكهربائي (مغنطة) حسب حقل مغناطيسي (كهربائية)، انصب نحو أنواع جديدة من التطبيقات مثل أجهزة الاستشعار وتقنيات التخزين. مع الأخيرة دراسات على لي مولتيفيرويكس1،2،،من34، الأنظمة المستهدفة في مجال لي هي تمديد الدراسة إلى أنواع مختلفة من المواد الصلبة، بما في ذلك غير العضوية، والعضوية، و الأطر المعدنية العضوية، باستخدام وصلات شعرية تدور براعة5،،من67،،من89. ومع ذلك، عملية درجة حرارة الغرفة، التي يجب إنجازها للاستخدام العملي للي المواد مع لي على وصلات، لا تزال مسألة صعبة، وقد أبلغ عدد محدود جداً من المواد على مرحلة واحدة حسب درجة حرارة الغرفة ماجنيتوليكتريكس حتى الآن10.
ودرست أيضا البلورات السائلة، التي تمتلك أمر أورينتاشونال، في بعض الأحيان مع واحد موضعية جزئي، بالنسبة لي المواد في السنوات الأخيرة11،،من1213،14، 15-واحدة من مزايا البلورات السائلة لي هو المواد درجة حرارة التشغيل، كما هي عادة استقرت مراحل الكريستال السائل حول درجة حرارة الغرفة. مثال للي ذكرت البلورات السائلة حتى الآن هو مركب بين نانو المغناطيسي-الصفائح الدموية مع تباين مغناطيسي عمودي والبلورات السائلة التي تظهر في مرحلة nematic، المعروفة باسم المرحلة الكريستال السائل أبسط تمتلك فقط أحادي البعد الأمر أورينتاشونال15. وهو يبين العكس لي أثر، تقلد المغنطة بمجال الكهربائي، من خلال التلاعب الحقل الكهربائي الصفيحات المتباعدة وتوجهات الجزيئية.
أكثر في الآونة الأخيرة، آخر استراتيجية فريدة من نوعها لإنشاء لي كان المقترح16من أثر في البلورات السائلة. محور هذه الاستراتيجية خلق مرحلة ج (SmC *) سميكتيك مراوان مع ترتيب الموضعية أحادي البعد، أسفر عن بنية وتنتشر طبقة تسمى طبقة سميكتيك. تتمثل إحدى سمات المرحلة SmC * أن ناقلات توجه جزيئية ن يقترن لحظة ثنائي قطب كهربائي محلية ف. هذا الترابط يتم توفيرها من قبل مزيج اتجاه إمالة من قضيب مثل الجزيئات المكونة لها فيما يتعلق ب العادي nطبقة سميكتيك0 والناجمة عن عدم التطابق مرآة (وانعكاس) التماثل كسر في الجزيئات. ومن وجهة نظر التماثلات، السابق يتغير التماثل من د∞ح (ما يسمى SmA المرحلة، الشكل 1A) إلى ج2ح (ما يسمى SmC المرحلة، الشكل 1 باء)، الأخير يقطع التماثل مرآة من ج2ح حيث يتم تقليل التماثل في ج2 (SmC * المرحلة، انظر كل طبقة في الشكل 1). في كل SmC * طبقة، يسمح بوجود محدود الاستقطاب على طول المحور2 ج، التي من الطبيعي أن ن0 و n. اقتران قوية بين n و p ضروري فيرروليكتريسيتي في البلورات السائلة. SmC * المرحلة، n محاذاة بطريقة حلزونية من خلال طبقة بطبقة (الشكل 1)، وهكذا هناك لا الاستقطاب العيانية. ويتحقق فيرروليكتريسيتي في هذه البلورات السائلة باستخدام تأثيرات سطحية قوية، واستقرار الدولة البلوتينيوم موجها من n المعروفة باسم استقرت على سطح فيرويليكتريك كريستال سائل (سفلك) دولة (الشكل 1). تجدر الإشارة إلى أن انعكاس الاستقطاب ferroelectric دائماً مرفقة التبديل بين الدول مستقرة ثنائية الاتجاه من خلال اقتران بين n و p17. كالتأثير العكسي، تغييرا في التوجه الجزيئية المرحلة SmC * من المتوقع أن تؤدي إلى تغيير في الاستقطاب الكهربائي. من خلال تباين المغناطيسية الناجمة عن يدور حول العناصر المغناطيسية و/أو الحلقات العطرية في جزيئات الكريستال السائل ومرونة n في حالة الكريستال السائل بسبب التفاعلات الجزيئية أضعف مما في حالة بلورية صلبة، n كما الانضباطي بحقل مغناطيسي. وهكذا، SmC * المرحلة يمكن أن تتحول إلى دولة البلوتينيوم المنحى الناجمين عن الحقل المغناطيسي مشابهة لحالة سفلك. ولذلك، يتحقق مباشرة لي أثر، تنظيم دورات تعريفية للاستقطاب الكهربائي بمجال المغناطيسي، كما هو الناجمة عن تطوير الاستقطاب الكهربائية العيانية محاذاة متجانسة من n مقرونا، ففي كل الطبقات.
نحن إدخال إجراءات ﻹعداد الخلايا الكريستال السائل للتحقيق في لي وصلات ومنهجيات لكشف لي تأثير. طريقة لإعداد الخلايا الكريستال السائل ذكر في التفصيل سابقا18. وهنا، قمنا بتعديل هذا الأسلوب لعازل ولي القياسات. بطريقة مفصلة هنا، اكتشفنا ضبطها مغناطيسيا الاستقطاب الكهربائي،، مباشرة أثر لي، في كريستال السائل تظهر في مرحلة SmC * في درجة حرارة الغرفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وأظهرت النتائج التجريبية أن الأساليب الموصوفة هنا بنجاح أثبت لي اقتران في الكريستال السائل. الملاحظة لي وآثار عازل مغناطيسي يمكن أن يرتبط مع انتقال اتجاه الجزيئية في بنية طبقة ثابتة سميكتيك أورينتاشونال. ومع ذلك، يمكن تغيير الاتجاه العادي طبقة n0 في بنية الطبقة أيضا ب?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن نشكر البروفسور تاكانيشي لمساعدته في تجربتنا. ونشكر أيضا شركة دبي لتزويد المركبات درس هنا. هذا العمل كان يدعمها معونات لزميل JSPS (16J02711)، رقم المنحة كاكينهي JSPS ح 17 01143، وبرنامج لقيادة خريج المدارس “برنامج المتدرب مواد تفاعلية”.
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).
