Article de méthode

Mesure de polarisation ferroélectrique magnétiquement à l’écoute dans les cristaux liquides

DOI :

10.3791/58018

⸱

15 août 2018

 ,  ,  , 
1Division of Materials Physics, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 2Division of Chemical Engineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 3Department of Advance Materials Science, University of Tokyo

Dans cet article

Résumé

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Dans ce rapport, nous présentons un protocole afin d’examiner les effets magnétoélectrique directs, c'est-à-dire, l’induction de polarisation ferroélectrique en appliquant des champs magnétiques, dans les cristaux liquides. Ce protocole prévoit une approche unique, soutenue par la douceur des cristaux liquides, pour atteindre la température de la pièce magnetoelectrics.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Matériaux montrant des phénomènes de couplage entre le magnétisme et l’électricité (ferro), c'est-à-diredes effets magnétoélectrique, ont attiré beaucoup d’attention en raison de leurs applications potentielles pour les technologies du futur dispositif tels que capteurs et stockage. Toutefois, les approches traditionnelles, qui utilisent généralement des matériaux contenant des ions métalliques magnétiques (ou radicaux), ont un problème majeur : seuls quelques matériaux ont été jugés pour montrer les phénomènes de couplage à la température ambiante. Récemment, nous avons proposé une nouvelle approche pour atteindre la température de la pièce magnetoelectrics. Contrairement aux approches classiques, notre proposition alternative se concentre sur un matériau complètement différent, un « cristal liquide », contre des ions métalliques magnétiques. Dans ces cristaux liquides, un champ magnétique peut être utilisé pour contrôler l’état d’orientation des molécules constituantes et la polarisation électrique correspondante à travers l’anisotropie magnétique des molécules ; C’est un mécanisme sans précédent de l’effet magnétoélectrique. Dans ce contexte, le présent document fournit un protocole pour mesurer les propriétés ferroélectriques induites par un champ magnétique, c'est-à-dire l’effet magnétoélectrique direct, dans un cristal liquide. Avec la méthode détaillée ici, nous avons détecté avec succès polarisation électrique magnétiquement à l’écoute dans la phase chirale smectique C d’un cristal liquide à température ambiante. Conjugués à la flexibilité des molécules constituantes, qui affecte directement les réponses magnétoélectrique, la méthode introduite servira pour permettre des cellules à cristaux liquides d’acquérir plus de fonctions comme la température de la pièce magnetoelectrics et associés matériaux optiques.

Introduction

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Recherche sur la magnétoélectrique (moi) effet, l’induction de polarisation électrique (aimantation) par un champ magnétique (électrique), a été axée vers les nouveaux types d’applications tels que capteurs et technologies de stockage. Avec les récentes études sur moi multiferroiques1,2,3,4, les systèmes cibles dans le domaine de ME étude sont étendus aux divers types de matériaux à l’état solide, y compris inorganiques, organiques, et les cadres métallo-organiques, en utilisant des couplages spin-réseau adroitement5,6,7,8,9. Cependant, opération à température ambiante, qui doit être accomplie pour une utilisation pratique de ME matériaux avec leur ME accouplements, est toujours une question difficile, et un nombre très limité de matériaux monophasés on signale que la température ambiante magnetoelectrics à ce jour10.

Cristaux liquides, qui possèdent un ordre orientationnel, parfois avec un positionnement partiel, a aussi étudié à l’égard de ME matériaux dans ces dernières années11,12,13,14, 15. l’un des avantages des cristaux liquides comme moi matériaux est leur température de fonctionnement, que les phases des cristaux liquides sont généralement stabilisées autour de la température ambiante. Un exemple de moi cristaux liquides signalé jusqu’ici est un composite entre nano-plaquettes magnétiques avec anisotropie magnétique perpendiculaire et cristaux liquides indiquant la phase nématique, connue comme la plus simple phase cristal liquide possédant seulement unidimensionnel ordre d’orientation15. Il montre l’inverse moi en effet, l’induction de l’aimantation par un champ électrique, par le biais de la manipulation de champ électrique des plaquettes couplés et orientation moléculaire.

Plus récemment, une autre stratégie unique pour mettre en place le ME effet dans les cristaux liquides a été proposé16. Au cœur de cette stratégie consiste à créer une phase de C (SmC *) smectique chiraux avec unidimensionnel ordre positionnel, résultant en une structure de couche diffuse appelée la couche smectique. Une caractéristique de la phase de SmC * est qu’un vecteur de l’orientation moléculaire n est couplé avec un moment de dipôle électrique local p. Cette corrélation est assurée par la combinaison de basculée des molécules constituantes bâtonnet en ce qui concerne le smectique couche normale n0 et la chiralité induite par le miroir (et inversion) de symétrie dans les molécules. Du point de vue des symétries, l’ancien transforme la symétrie de D∞h (la SmA phase dite, Figure 1 a) en C2h (la SmC phase dite, Figure 1 b) et le ce dernier rompt la symétrie miroir de C2h pour que la symétrie est réduite en C2 (la SmC * phase, voir chaque couche dans la Figure 1). Dans chaque couche de SmC *, la présence de polarisation finie est autorisée le long de l’axe2 C, ce qui est normal à la fois n0 et n. Le couplage fort entre l’azote et du phosphore est essentiel pour la ferroélectricité dans les cristaux liquides. Dans la phase de SmC *, n aligne une manière hélicoïdale par couche par couche (Figure 1), et il n’y a donc aucune polarisation macroscopique. Ferroélectricité dans ces cristaux liquides est obtenue en utilisant des effets de surface solides, laquelle stabilisent l’État homogène orientée de n sous le titre un surface stabilisée ferroélectrique cristal liquide (SSFLC) État (Figure 1). Il est à noter que l’inversion de polarisation ferroélectrique toujours accompagne une commutation des États bistable orientation à travers le couplage entre n et p17. Comme l’effet inverse, un changement d’orientation moléculaire de la SmC * phase devrait donner lieu à un changement de polarisation électrique. Par le biais de l’anisotropie magnétique causée par tours sur les éléments magnétiques et/ou des cycles aromatiques en molécules de cristaux liquides et la flexibilité de n dans un état de cristal liquide en raison des interactions moléculaires plus faibles que dans un état de cristal solide, n est aussi accordable par un champ magnétique. Ainsi, la phase SmC * peut être transformée en un État homogène orienté induits par le champ magnétique similaire à un État SSFLC. Donc, le direct moi en effet, l’induction de polarisation électrique par un champ magnétique, est obtenu comme le développement de polarisation électrique macroscopique est induit par un alignement homogène de n associée à p, dans toutes les couches.

Nous introduisons des procédures pour préparer des cellules à cristaux liquides pour l’étude de ME accouplements et méthodes pour détecter la ME effet. Une méthode pour la préparation de cellules à cristaux liquides a été signalée en détail précédemment18. Ici, nous avons modifié cette méthode pour diélectrique et moi de mesures. Avec la méthode détaillée ici, nous avons détecté polarisation électrique magnétiquement à l’écoute, c'est-à-dire le direct ME réaliser, dans un cristal liquide montrant la SmC * phase à température ambiante.

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Protocole

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1. préparation des cellules de cristaux liquides et la détermination de l’écart de la cellule

  1. Préparation de cellules à cristaux liquides
    1. Substrats de verre taillé revêtus/tin-oxyde d’indium (ITO) sur un côté dans la taille désirée (taille standard : 10 x 10 x 1,1 mm, Figure 2 a). Pour couper les substrats, rayer une ligne sur leur visage avec un coupe-verre et se détachent verre excès manuellement.
    2. Laver les substrats de verre taillé à l’aide d’un détergent dans un bain ultrasonique à 35 kHz pour 30 min. Rincez-les avec de l’eau déionisée dans le bain à ultrasons pendant 10 min. remplacer désionisée eau et rincer les substrats 5 fois pour éliminer les contaminants (Figure 2 b). Souffler de l’eau qui reste avec un pistolet à air duster avec soin à ne pas toucher les visages plus large des substrats.
    3. Goutte à goutte des solutions de polyimide (rabot de couche de l’alignement dans la Table des matières) sur le côté recouvert ITO des substrats lavées et spin-manteau les solutions à 5000 tr/min pendant 30 s (Figure 2). Faire cuire les substrats à 200 ° C pendant 1 h à enlever le solvant et guérir les films minces de polyimide.
    4. Mettre les substrats sur une scène XZ afin que le côté ITO et polyimide-recouvert des substrats fait face vers le haut. Placez les substrats sous un rouleau recouvert d’un tissu de velours et fixer les substrats par aspiration (Figure 2D) de l’air. Appliquer une pression uniforme et souple sur les substrats avec le rouleau en réglant la hauteur de la scène.
      Remarque : Ici, la scène XZ a été effectuée par un atelier de mécanique à l’Université d’Osaka.
    5. Faites tourner le barillet et déplacer la scène en arrière sous le rouleau 5 fois dans la direction horizontale pour frotter les substrats par le tissu de velours. Trempez les substrats frottées dans l’alcool isopropylique dans un récipient de verre de 10 à 50 mL pour 1 min éliminer les contaminants, puis séchez-les à 80 ° C pendant quelques minutes.
    6. Coller les deux substrats ainsi que des films de résine plate 12 μm épaisseur comme espaceurs. Notez que les points de colle sont placées qu’au bord des substrats et les côtés intérieurs des substrats collés sont revêtues de l’OTI et polyimide. S’assurer que les substrats opposés ont été frottés antiparallèle et sont légèrement décalées (environ 2 mm) afin de fournir suffisamment d’espaces pour bornes électriques sur les deux substrats (Figure 2E).
    7. Coller les fils conducteurs sur les espaces mentionnés ci-dessus pour les terminaux à l’aide d’argent tenue de pâte (Figure 2F). Faire cuire les substrats avec des fils conducteurs à 150 ° C pendant 1 h éliminer le solvant dans la pâte conductrice argentée.
  2. Détermination de l’écart de la cellule 19
    1. Irradier les cellules vides préparées dans 1.1.7 avec lumière blanche se propageant perpendiculairement à leur visage plus large. Mesurer le spectre de transmission en utilisant un spectromètre optique et observer l’oscillation sinusoïdale Pseudo-aléatoire (Figure 3), qui apparaît en raison de l' effet de Fabry-Pérot20.
    2. Estimer l' écart de cellule d en utilisant la relation d = λ1λ22λ2-λ1, où la longueur d’onde λ1 et λ 2 indiquer une paire d’adjacentes pic-longueurs d’onde dans le spectre de la transmission.

2. préparation du mélange de cristaux liquides et l’Introduction dans les cellules

  1. Mélanger les deux composés, 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) pyrimidine (composé 1: Figure 4 a) et (pyrimidine S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) phényl] (composé 2: Figure 4 b) avec un rapport de masse dans un flacon en verre de 3:1. Préparer 100 mg de la solution au total (75 mg du composé 1 et 25 mg de composé 2).
  2. Mettre la cellule vide préparée à l’étape 1.1.7 sur une scène chaude, maintenir la température à 80 ° C, température à laquelle le mélange du 2.1 est en phase liquide isotrope (Figure 5). Introduire le mélange à l’étape 2.1 dans la cellule à l’aide d’une spatule et la capillarité. Maintenir la température de la cellule à 80 ° C pendant 30 min, puis refroidir à la température ambiante à un taux d’environ 5 ° C/min.

3. caractérisation des échantillons

  1. Place une cellule remplie avec le mélange de l’étape 2.2 sur une scène chaude entre deux polariseurs croisés et irradient de lumière. Observer les textures du mélange avec le changement de température depuis la température ambiante à l’aide d’un microscope à 80 ° C à un débit de 5 ° C/min (et un filtre de passe courte avec tuning de ~ 600 nm pour accroître la visibilité, selon les besoins) et d’identifier les phases des cristaux liquides de polarisation des micrographies21 (Figure 6).
  2. Déterminer les phase transition séquence et transition des températures depuis les textures observées (Figure 5). Pour la phase de SmC *, estimer la hauteur hélicoïdale double la largeur de bande.
  3. Confirmer les températures de transition de phase de premier ordre du mélange préparé en 2.1 par analyse thermique différentielle (DTA ; Voir le Tableau des matériaux et les instructions du fabricant), qui prévoit un pic (ou dip) anomalie à une phase de premier ordre transition (Figure 7).

4. mesures diélectriques et magnétoélectrique

  1. Préparer un aimant supraconducteur commercial (voir Table des matières) équipés de régulateurs de température (2-400 K) et le champ magnétique (jusqu'à 9 T).
  2. Préparer un insert fait maison pour l’aimant supraconducteur, qui se compose de trois parties majeures : espace d’échantillon, une tige dont quatre câbles coaxiaux et un connecteur terminal (Figure 8 a).
  3. Coller la cellule préparée en 2.2 sur l’espace de l’échantillon de l’insert (Figure 8 b). Connectez les deux fils conducteurs de la cellule aux bornes (haute et basse) de l’espace de l’échantillon en soudant. S’assurer de l’orientation de la cellule afin de les appliquer à un champ magnétique dans la direction parallèle aux substrats de la cellule. Placez un thermomètre dans l’avion plus large de la cellule afin de mesurer la température de l’échantillon avec précision et introduire l’insert dans l’aimant supraconducteur.
  4. Connectez les bornes du connecteur d’un RLC (voir Table des matières) avec des câbles coaxiaux. Mesurer la constante diélectrique en fonction de la température et du champ magnétique au moyen de méthodes terminales quasi quatre avec la LCR meter (voir indications et notre précédent travail16).
  5. Connectez les bornes du connecteur à un électromètre (voir Table des matières) avec des câbles coaxiaux. Mesurer la dépendance de champ magnétique et la température du courant de déplacement avec l’électromètre tout en balayant un champ magnétique et la température à un rythme constant (1,0 T/min pour le balayage de champ magnétique et 5 K/min pour balayer la température, voir instructions du fabricant et notre précédent travail16). Obtenir une polarisation électrique en intégrant le déplacement actuel en fonction du temps.

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Résultats

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Le protocole est considéré comme un succès seulement si le M’effet dans des échantillons de cristaux liquides est observée. Ici, nous avons mesuré le direct m’affecter dans un échantillon de cristal liquide préparé par les procédures susmentionnées. Pour les mesures, un champ magnétique de dans le plan a été appliqué avec l’angle incliné d’environ 45° de la direction de frottement (perpendiculaire aux couches smectique), car la plus grande polarisation magnétique-induits par le champ a ét...

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Discussion

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Les résultats expérimentaux montrent que les méthodes décrites ici avec succès démontré la ME de couplage dans les cristaux liquides. L’observé moi et effets magnéto-diélectrique peut être associées à la transition orientation orientation moléculaire dans une structure de couche smectique fixe. Toutefois, la couche direction normale n0 dans la structure de la couche peut être également modifié en appliquant un champ magnétique à travers l’anisotropie magnétique. C’est parce que les mo...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Nous remercions le professeur Takanishi pour son aide dans notre expérience. Nous remercions également la société DIC pour fournir les composés étudiés ici. Ce travail a été soutenu par la subvention pour le boursier JSPS (16J02711), numéro de licence KAKENHI JSPS 17H 01143 et le programme pour avoir dirigé les Graduate Schools « Programme interactif de cadets des matériaux ».

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
fort
fort 1 : Figure 4(A)DIC Co., Ltd.&ndash ; N/APYP-8O8
Compound 2 : Figure 4(B)DIC Co., Ltd.N/APYP-10O10F
Substrats en verre revêtus d’ITO,Sigma-Aldrich, Inc.703192-10PK
DétergentWako Pure Chemical Industries, Ltd.031-10401
Raboteuse de couches d’alignementJSR Co., Ltd.AL1254
SpacerTeijin Film Solutions Co., Ltd.Q51-12
GlueHuntsman Inc.ARALDITE RT30Pour coller deux supports
ColleM& I Matériaux ltéeApiezon H GreasePour le collage d’une cellule et d’un insert fait maison
Pâte d’argentFujikura Kasei Co., Ltd.D-753
Equipment
Nettoyeur à ultrasonsAS ONE Corp.
Coucheuse par filatureMikasa Co. Ltd.1H-D7
Nikon Co., Ltd.ECLIPSE LV100N POL
Filtre passe-courtThorlabs Inc.FB600-40
Spectromètre optiqueOcean Optics Inc.Analyseur thermique différentiel USB2000+UV-VIS
Rigaku Co., Ltd.Thermo plus EVO2
Quantum Design Inc.Compteur PPMS
LCRKeysight Technologies Ltd.Électromètre E4980A
Keithley Instruments Inc.Référence 6517A
AS52GTUMicroscope optique polarisé Aimant supraconducteur

Références

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Mots-clés

Effet magn to lectriqueCristal liquideContr le par champ magn tiquePhase smectique C chiraleFonctionnement temp rature ambianteAimant supraconducteurMesure de la constante di lectriqueInt gration de la polarisation lectriqueRemplissage par capillarit

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