Medición de polarización ferroelectrica magnético sintonizado en cristales líquidos

Resumen

En este informe, presentamos un protocolo para examinar los efectos directos de magneto, es decir, la inducción de polarización ferroelectrica mediante la aplicación de campos magnéticos, en los cristales líquidos. Este protocolo proporciona un enfoque único, apoyado por la suavidad de los cristales líquidos, para lograr la temperatura magnetoelectrics.

Resumen

Materiales que muestran fenómenos de acoplamiento entre el magnetismo y la electricidad (ferro), es decir, efectos magneto, han atraído una gran atención debido a sus posibles aplicaciones para tecnologías de futuros dispositivos como sensores y almacenamiento. Sin embargo, los enfoques convencionales, que utilizan generalmente los materiales que contienen iones metálicos magnéticos (o radicales), tienen un gran problema: se han encontrado sólo unos pocos materiales para mostrar el fenómeno de acoplamiento a temperatura ambiente. Recientemente, hemos propuesto un nuevo enfoque para lograr la temperatura magnetoelectrics. En contraste con los enfoques convencionales, nuestra propuesta alternativa se centra en un material totalmente diferente, un "cristal líquido", libre de iones metálicos magnéticos. En esos cristales líquidos, un campo magnético pueden ser utilizado para controlar el estado orientador de moléculas constituyentes y la polarización eléctrica correspondiente a través de la anisotropía magnética de las moléculas; es un mecanismo sin precedentes del efecto magneto. En este contexto, este documento ofrece un protocolo para medir propiedades ferroeléctricas inducidas por un campo magnético, es decir, el efecto magneto directo, en un cristal líquido. Con el método detallado aquí, se detectó con éxito polarización eléctrica magnéticamente sintonizado en la fase esméctica quiral C de un cristal líquido a temperatura ambiente. Junto con la flexibilidad de las moléculas constituyentes, que afecta directamente a las respuestas de magneto, el método introducido servirá para permitir que las células de cristal líquido para la adquisición de más funciones como temperatura magnetoelectrics y asociados materiales ópticos.

Introducción

La investigación sobre el magneto (ME) efecto, la inducción de polarización eléctrica (magnetización) por un campo magnético (eléctrico), se ha enfocado hacia los nuevos tipos de aplicaciones como sensores y tecnologías de almacenamiento. Con recientes estudios me multiferroicos^1,2,3,4, los sistemas de destino en el campo de mi estudio se extiende a varios tipos de materiales de estado sólidos, incluyendo inorgánico, orgánico, y armazones metal-orgánicos, utilizando acoplamientos spin-lattice diestramente^5,6,7,8,9. Sin embargo, operación de la temperatura, que debe realizarse para la utilización práctica de mí materiales con su ME acoplamientos, sigue siendo un problema desafiante, y un número muy limitado de materiales monofásicos se han divulgado como temperatura magnetoelectrics hasta la fecha¹⁰.

Cristales líquidos, que poseen un orden orientacional, a veces con una posición parcial, también se han examinado con respecto a ME materiales en años recientes^{11,12,13,14, 15}. una de las ventajas de cristales líquidos que yo materiales es su temperatura de operación, como fases de cristal líquido generalmente se estabilizan alrededor de temperatura ambiente. Un ejemplo de mí cristales líquidos registrados hasta ahora es un compuesto entre nano-plaquetas magnéticas Anisotropía magnética perpendicular y cristales líquidos que muestra la fase nemática, conocida como la fase de cristal líquido más simple que posee sólo unidimensional orden orientacional¹⁵. Demuestra lo contrario ME efecto, la inducción de la magnetización por un campo eléctrico, a través de la manipulación del campo eléctrico de la plaqueta acoplada y las orientaciones moleculares.

Más recientemente, otra estrategia única para establecer el ME efecto en cristales líquidos fue propuesta¹⁶. El enfoque de esta estrategia es crear un chiral esméctica C (SmC *) fase con orden posicional unidimensional, lo que resulta en una estructura de capa difusa llamada la capa de esméctica. Una característica de la fase de SmC * es que un vector de orientación molecular n se acopla con un momento de dipolo eléctrico local p. Esta correlación es proporcionada por la combinación de la orientación inclinada de las barra-como moléculas constituyentes con respecto a la esméctica capa normal n₀ y la simetría inducida de quiralidad para espejo (e inversión) en las moléculas. Desde el punto de vista de las simetrías, el primero cambia la simetría de D_∞h (la denominada SmA fase, figura 1A) en C_2h (el supuesto SmC fase, figura 1B) y la Este último rompe la simetría de espejo de C_2h para que la simetría se reduce a C₂ (SmC * fase, ver cada capa en figura 1). En cada capa de SmC *, se permite la presencia de polarización finita a lo largo del eje de₂ C, que es normal a n₀ y n. El acoplamiento fuerte entre n y p es esencial para la ferroelectricidad en cristales líquidos. En la SmC * fase, n se alinea de la manera helicoidal a través de la capa por capa (figura 1), y por lo tanto no existe ninguna polarización macroscópica. Ferroelectricidad en estos cristales líquidos se consigue mediante el uso de fuertes efectos de superficie, que estabilizan el estado homogéneo orientado de n conocido como superficie estabilizada ferroeléctricos cristal líquido (SSFLC) estado (figura 1). Cabe señalar que la reversión de la polarización ferroelectrica siempre acompaña una conmutación de Estados bi-estable orientación mediante el acoplamiento entre el n y p¹⁷. Como el efecto inverso, se espera que un cambio en la orientación molecular de la SmC * fase dan lugar a un cambio en la polarización eléctrica. A través de Anisotropía magnética causada por giros en elementos magnéticos o anillos aromáticos en moléculas de cristal líquido y la flexibilidad de n en un estado de cristal líquido debido a las interacciones moleculares más débiles que en estado sólido cristalino, n es también ajustable por un campo magnético. Así, la fase de SmC * puede transformarse en un estado homogéneo orientado inducida por campo magnético similar a un estado SSFLC. Por lo tanto, el directo ME efecto, la inducción de polarización eléctrica mediante un campo magnético, se logra que el desarrollo de la polarización eléctrica macroscópico es inducido por una alineación homogénea de n juntada con p, en todas las capas.

Presentamos los procedimientos para preparar las células de cristal líquido para la investigación de mí acoplamientos y metodologías para detectar el ME efecto. Un método para la preparación de las células de cristal líquido fue informada en detalle previamente¹⁸. Aquí, modificamos este método dieléctrico y yo las mediciones. Con el método detallado aquí, detectamos polarización eléctrica magnéticamente sintonizada, es decir, el directo ME efecto, en un cristal líquido que muestra SmC * fase a temperatura ambiente.

Protocolo

1. preparación de las células de cristal líquido y la determinación de la brecha de la célula

1. Preparación de las células de cristal líquido
   1. Sustratos de cristal tallado recubiertos con indio/óxido de estaño (ITO) a un lado en el tamaño deseado (tamaño típico: 10 x 10 x 1,1 mm, figura 2A). Para cortar los sustratos, rayar una línea en su cara con un cortador de cristal y romper el vidrio sobrante manualmente.
   2. Lavado de los substratos de cristal tallado con un detergente en un baño de ultrasonidos a 35 kHz durante 30 minutos enjuagar con agua desionizada en el baño ultrasónico durante 10 minutos reemplazar desionizada agua y enjuagar los sustratos 5 veces para eliminar los contaminantes (figura 2B). Soplar el agua restante con una pistola de aire plumero con cuidado de no tocar la cara más ancha de los sustratos.
   3. Gotee soluciones de polyimide (cepillo de capa de alineación en la Tabla de materiales) el lado recubierto ITO del sustratos lavados y centrifugado-capa las soluciones a 5000 rpm durante 30 s (figura 2). Hornear los sustratos a 200 ° C por 1 h eliminar el solvente y curar las películas finas del polyimide.
   4. Poner los sustratos en un escenario XZ para que el lado de los substratos recubiertos de ITO y polyimide esté orientada hacia arriba. Colocar los sustratos bajo un rodillo cubierto con un paño de terciopelo y fijar los sustratos por aire de aspiración (Figura 2D). Aplique una presión suave y uniforme en los sustratos con el rodillo ajustando la altura de la etapa.
      Nota: Aquí, la etapa XZ fue hecha por una tienda de máquina en la Universidad de Osaka.
   5. Con el cursor y pasar la etapa y hacia atrás debajo del rodillo 5 veces a lo largo de la dirección horizontal para frotar los sustratos por el paño de terciopelo. Sumergir los sustratos frotados de alcohol isopropílico en un recipiente de vidrio de 10 – 50 mL durante 1 minuto eliminar los contaminantes y secar a 80 ° C durante unos minutos.
   6. Pegue los dos substratos junto con 12 películas de resina plana de espesor μm como separadores. Tenga en cuenta que puntos adhesivos se colocan solamente en el borde de los substratos y los lados internos de los substratos pegados están cubiertos con el ITO y del polyimide. Asegúrese de que el contrarios sustratos han sido frotados antiparallel y se desplazan ligeramente (aproximadamente 2 mm) para proporcionar suficiente espacios para terminales eléctricos en ambos sustratos (Figura 2E).
   7. Pegue los cables conductores en los espacios antes mencionados para los terminales mediante el uso de plata realizando pasta (figura 2F). Hornear los sustratos con los alambres conductores a 150 ° C por 1 h para eliminar el solvente en la plata pasta conductora.
2. Determinación de la brecha de la célula ¹⁹
   1. Irradian las células en blanco preparadas en 1.1.7 con luz blanca propagación normal a la cara más ancha. Medir los espectros de transmisión usando un espectrómetro óptico y observar la oscilación pseudo-senoidal (figura 3), que aparece debido al efecto de Fabry-Pérot²⁰.
   2. Estimar la brecha de células d usando la relación d = λ₁λ₂2 (λ₂-λ,₁), donde las longitudes de onda λ₁ y λ ₂ designar un par de longitudes de onda pico adyacentes en los espectros de transmisión.

2. preparación de la mezcla de cristal líquido y la introducción en las células

1. Mezcla de dos compuestos, pirimidina 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) (compuesto 1: Figura 4A) y (pirimidina S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) fenil] (compuesto 2: Figura 4B) con una relación entre la masa de 3:1 en un frasco de vidrio. Preparar 100 mg de la solución en total (75 mg de compuesto 1 y 25 mg de compuesto 2).
2. Poner la celda en blanco preparada de paso 1.1.7 en una escena caliente, manteniendo la temperatura a 80 ° C, una temperatura a la que la mezcla de 2.1 es en la fase líquida isótropa (figura 5). Introducir la mezcla en el paso 2.1 en la célula mediante una espátula y acción capilar. Mantener la temperatura a 80 ° C por 30 min, luego enfriar a temperatura ambiente a una velocidad de unos 5 ° C/min.

3. Caracterización de la muestra

1. Una celda llena de la mezcla del paso 2.2 en una escena caliente entre dos polarizadores cruzados e irradiar con la luz. Observar las texturas de la mezcla con el cambio de temperatura desde temperatura ambiente a 80 ° C a una velocidad de 5 ° C/min utilizando un microscopio (y un filtro de paso corta con ajuste gama de ~ 600 nm para mejorar la visibilidad, si es necesario) e identificar las fases de cristal líquido desde la polarización micrografías²¹ (figura 6).
2. Determinar las temperaturas fase transición secuencia y transición de las texturas observadas (figura 5). Para la fase de SmC *, estimar el paso helicoidal doble de la anchura de banda.
3. Confirmar las temperaturas de transición de fase de primer orden de la mezcla preparada en el punto 2.1 por análisis térmico diferencial (DTA; véase Tabla de materiales y las instrucciones del fabricante), que proporciona una anomalía pico (o dip) en una fase de primer orden transición (figura 7).

4. medidas dieléctricas y magneto

1. Preparar un imán superconductor comercial (véase Tabla de materiales) equipados con reguladores de temperatura (2 400 K) y campo magnético (hasta 9 T).
2. Preparar un relleno casero para el imán superconductor, que consta de tres partes principales: espacio muestral, una barra incluyendo cuatro cables coaxial y un conector terminal (figura 8A).
3. Pegar la celda en 2.2 en el espacio de muestra del inserto (figura 8B). Conecte los dos cables conductores de la célula a los terminales (alta y baja) del espacio de muestra por soldadura. Asegúrese de que de la orientación de la célula con el fin de aplicar un campo magnético en la dirección paralela a los substratos de la célula. Coloque un termómetro en el plano más amplio de la célula con el fin de medir con precisión la temperatura de la muestra e introducir el inserto en el imán superconductor.
4. Conecte los terminales del conector a un medidor LCR (véase Tabla de materiales) con cables coaxiales. Medir la constante dieléctrica en función de la temperatura y campo magnético por medio de métodos terminal casi cuatro con el medidor LCR (véase las instrucciones y nuestro anterior trabajo¹⁶).
5. Conecte los terminales del conector a un Electrómetro (véase Tabla de materiales) con cables coaxiales. Medir la dependencia del campo magnético y temperatura de desplazamiento actual con el electrómetro mientras barre un campo magnético y la temperatura a un ritmo constante (T/1,0 min para barrido de campo magnético y 5 K/min para el barrido de temperatura; véase las instrucciones del fabricante y nuestro anterior trabajo¹⁶). Obtener polarización eléctrica integrando el desplazamiento actual en función del tiempo.

Resultados

El protocolo se considera un éxito sólo se observa si el ME efecto en las muestras de cristal líquido. Aquí medimos el directo ME efecto en una muestra de cristal líquido preparada por los procedimientos antes mencionados. Para las mediciones, se aplicó un campo de magnético en el plano con el ángulo inclinado unos 45 ° de la dirección del frotamiento (normal a capas de esméctica), ya que se detectó la mayor polarización magnética inducida por el campo en esta configuración

Discusión

Los resultados experimentales mostraron que los métodos descritos aquí con éxito demostraron ME enganche en el cristal líquido. Observado efectos magneto-dieléctrico y ME puedan asociar la transición orientacional de la orientación molecular en una estructura de capa fija esméctica. Sin embargo, la capa dirección normal n₀ en la estructura de la capa se puede cambiar también mediante la aplicación de un campo magnético a través de Anisotropía magnética. Esto es porque las moléculas pr...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
fuerte
1: Figura 4(A)	DIC Co., Ltd.	– N/A	PYP-8O8
Compuesto 2: Figura 4(B)	DIC Co., Ltd.	N/A	PYP-10O10F
Sustratos de vidrio con recubrimiento ITO	Sigma-Aldrich Inc.	703192-10PK
Detergente	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	031-10401
Cepilladora de capas de alineación	JSR Co., Ltd.	AL1254
Espaciador	Teijin Film Solutions Co., Ltd.	Q51-12
Pegamento	Huntsman Inc.	ARALDITE RT30	Para pegar dos soportes
Glue	M& I Materiales Ltd.	Apiezon H Grasa	Para pegar una célula y un inserto casero
Pasta de plata	Fujikura Kasei Co., Ltd.	D-753
Equipment
Limpiador ultrasónico	AS ONE Corp.
Recubridora giratoria	Mikasa Co. Ltd.	1H-D7
	Nikon Co., Ltd.	ECLIPSE LV100N POL
Filtro de paso corto	Thorlabs Inc.	FB600-40
Espectrómetro óptico	Ocean Optics Inc.	USB2000 + UV-VIS
Analizador térmico diferencial	Rigaku Co., Ltd.	Imán superconductor Thermo plus EVO2
	Quantum Design Inc.	Medidor PPMS
LCR	Keysight Technologies Ltd.	E4980A
Electrómetro	Keithley Instruments Inc.	6517A