Manyetik olarak ayarlı ölçüm Ferroelectric polarizasyon sıvı kristaller içinde
Summary
Bu raporda, biz doğrudan magnetoelectric etkileri, yani, indüksiyon ferroelectric polarizasyon manyetik alanlara sıvı kristaller uygulayarak incelemek için bir protokol mevcut. Bu iletişim kuralı oda sıcaklığında magnetoelectrics elde etmek için sıvı kristaller, yumuşaklık tarafından desteklenen benzersiz bir yaklaşım sağlar.
Abstract
Kaplin olayları (ferro) elektrik ve manyetizma arasında gösterilen malzemeleri, yani, magnetoelectric etkileri, bir ilgi büyük sensörler ve depolama gibi gelecek aygıt teknolojileri için potansiyel uygulamaları nedeniyle kendine. Ancak, genellikle materyalleri manyetik metal iyonları (veya radikallerin) içeren kullanmak, geleneksel yaklaşımlar, büyük bir sorun var: sadece birkaç malzemeler oda sıcaklığında kaplin olayları göstermek tespit edilmiştir. Son zamanlarda, biz oda sıcaklığında magnetoelectrics elde etmek için yeni bir yaklaşım önerdi. Geleneksel yaklaşımlar aksine tamamen farklı bir malzeme bir “sıvı kristal”, manyetik metal iyonları ücretsiz alternatif önerimizi odaklanır. Böyle sıvı kristaller, bir manyetik alan oluşturan moleküller ve molekülleri karşılık gelen elektrik kutuplaşma manyetik anizotropi aracılığıyla orientational durumunu kontrol etmek için yararlı olabilir; magnetoelectric etkisi görülmemiş bir mekanizmadır. Bu bağlamda, bu inceleme ferroelectric özellikleri bir manyetik alan, diğer bir deyişle, doğrudan magnetoelectric etkisi, sıvı kristal tarafından indüklenen ölçmek için bir protokol sağlar. Burada ayrıntılı yöntemiyle başarıyla elektrik polarizasyon manyetik olarak ayarlanmış bir sıvı kristal oda sıcaklığında kiral smectic C aşamasında tespit ettik. Doğrudan magnetoelectric yanıt etkileyen esnekliğini kurucu molekülleri ile birlikte alınan tanıtılan Yöntem sıvı kristal hücrelerin oda sıcaklığında magnetoelectrics olarak daha fazla işlevleri elde etmek izin vermek için hizmet edecek ve ilişkili Optik malzeme.
Introduction
Magnetoelectric üzerinde (ME) etkisi, elektrik polarizasyon (mıknatıslanma) (elektrik) bir manyetik alana göre indüksiyon araştırma, uygulama sensörler ve depolama teknolojileri gibi roman türlerinin doğru odaklanmıştır. Bana multiferroics1,2,3,4, hedef sistemleri ile son çalışmalar bana alanında çalışma genişletilmiş katı hal malzemeleri, inorganik, organik, dahil olmak üzere çeşitli türleri ve spin-kafes kuplajları kullanan tarafından metal organik çerçeveler, ustalıkla5,6,7,8,9. Ancak, benim pratik kullanım için gerçekleştirilmesi gereken oda sıcaklığında işlemi onların ME malzemelerle kuplajları, hala zorlu bir sorundur ve tek fazlı malzemelerin çok sınırlı sayıda oda-sıcaklık bildirilmiştir 10bugüne kadar magnetoelectrics.
Sıvı kristaller, bazen ile kısmi bir konumsal bir orientational bir emir sahip Ayrıca muayene bana göre son yıllarda11,12,13,14, malzemeleri 15. bir sıvı kristaller benim gibi avantajları malzeme olduğunu onların çalışma sıcaklığı, sıvı kristal aşamalar genellikle oda sıcaklığında bağları gibi. Bir örnek beni sıvı kristaller defa olduğunu manyetik nano-trombosit Dikey Manyetik anizotropi ile ve sıvı kristaller Nematik faz basit sıvı kristal faz bilinen gösterilen arasındaki bileşik sahip yalnızca tek boyutlu bildirdi orientational sipariş15. Beni etkisi, converse mıknatıslanma eşleşmiş trombosit ve moleküler yönelimleri elektrik alanı manipülasyonu yoluyla bir elektrik alanı tarafından indüksiyon gösterir.
Daha yakın, ME kurmak için başka bir benzersiz strateji etkiydi sıvı kristaller içinde önerilen16. Kiral smectic C (SmC *) faz smectic katman adı verilen bir dağınık katman yapısında kaynaklanan tek boyutlu pozisyonel sipariş oluşturmak için bu strateji odak noktasıdır. Bir SmC * faz bir moleküler yönlendirme vektör n yerel elektrik dipol an pile birleştiğinde özelliğidir. Bu ilişki smectic katman normal n0 ve moleküller kırma sembolik kaynaklı ayna (ve inversiyon) simetri ile ilgili çubuk benzeri kurucu moleküllerinin hareket ettirildiğinde yönlendirme kombinasyonu tarafından sağlanır. Simetri açısından, eski simetri D∞h (sözde SmA aşama, Şekil 1A) C2h (sözde SmC aşama, Şekil 1B), değiştirir ve simetri C2 ‘ ye küçülmesini ikinci C2h ayna simetri tatili (SmC * faz, bkz: Şekil 1 cher katman). Her SmC * katmanda, sonlu polarizasyon varlığı n0 ve niçin normal C2 eksen boyunca izin verilir. N ve p arasında güçlü kaplin ferroelectricity sıvı kristaller içinde gereklidir. SmC * aşamasında, katman katman (Şekil 1 c) ile helicoidal şekilde n hizalar ve bu nedenle orada hiçbir makroskopik polarizasyon. Ferroelectricity gibi sıvı kristaller içinde bir yüzey stabilize ferroelectric sıvı kristal (SSFLC) devlet (Şekil 1 d) bilinen n homojen odaklı durumunu stabilize güçlü yüzey etkileri kullanılarak elde edilir. Bu ferroelectric kutuplaşma tersine her zaman bı-kararlı yönlendirme durumları n ve p17arasında bağlantı arasında geçiş yapma eşlik olması gerekmektedir. Ters etkisi olarak, moleküler yönünü SmC * faz değişikliği elektrik polarizasyon bir değişiklik ortaya çıkmasına bekleniyor. N spin manyetik öğeleri ve/veya sıvı kristal molekülleri ve n bir katı kristal durumda zayıf moleküler etkileşimlerden nedeniyle bir sıvı kristal durumda esnekliğini aromatik yüzük neden manyetik anizotropi olduğunu Ayrıca bir manyetik alana göre ayarlanabilir. Böylece, SmC * faz bir manyetik alan indüklenen homojen odaklı devlet bir SSFLC durumuna benzer dönüştürülebilir. Bu nedenle, makroskopik elektrik polarizasyon gelişimi n p, tüm katmanları ile birleştiğinde homojen bir hizalamasını tarafından indüklenen gibi beni etkisi, doğrudan bir manyetik alana göre elektrik polarizasyon indüksiyon elde edilir.
Biz sıvı kristal hücrelerin kuplajları ve metodolojileri ME algılamak için beni incelenmesi için hazırlamak için yordamlar tanıtmak etkisi. Bir yöntem sıvı kristal hücrelerin hazırlanması ihbar için ayrıntı daha önce18. Burada, bu yöntem dielektrik ve benim için ölçümleri değiştiren. Burada ayrıntılı yöntemi ile elektrik polarizasyon, o da beni etkisi, doğrudan manyetik olarak ayarlanmış bir sıvı kristal oda sıcaklığında SmC * faz gösterilen tespit ettik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deneysel sonuçlar yöntem tanımlamak burada başarılı bir şekilde sıvı kristal kaplin ME gösterdi gösterdi. Gözlenen manyeto-dielektrik etkileri ve sabit smectic katman yapısı moleküler yönünün orientational geçiş ile ilişkilendirilebilir. Ancak, katman yapısı içinde katman normal yön n0 da bir manyetik alan manyetik anizotropi aracılığıyla uygulama tarafından değiştirilebilir. Moleküller n ve bir manyetik alan kendi manyetik an…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Prof. Takanishi deneyimimizi onun yardım için teşekkür ediyoruz. Biz aynı zamanda bileşikleri sağlayan burada okudu DIC Corporation teşekkür. Bu eser JSP’ler adam için (16J02711), JSP’ler KAKENHI Grant numarası Grant-in-Aid tarafından desteklenmiştir 17H 01143 ve enstitüler “İnteraktif malzemeler öğrenci programı” lider için Program.
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).
