Articolo metodologico

Misurare la polarizzazione ferroelettrica magneticamente-sintonizzati in cristalli liquidi

DOI:

10.3791/58018

⸱

15 agosto 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

In questo articolo

Sommario

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In questo rapporto, presentiamo un protocollo per esaminare effetti magnetoelettrici diretti, cioè, induzione di polarizzazione ferroelettrica mediante l'applicazione di campi magnetici, a cristalli liquidi. Questo protocollo fornisce un approccio unico, supportato dalla morbidezza dei cristalli liquidi, per raggiungere la temperatura ambiente magnetoelectrics.

Abstract

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Materiali da fenomeni di accoppiamento tra magnetismo ed elettricità (ferro), cioè, magnetoelettrici effetti, hanno attirato molta attenzione a causa dei loro potenziali applicazioni per tecnologie per i futuri dispositivi come sensori e deposito. Tuttavia, gli approcci convenzionali, che di solito utilizzano materiali contenenti ioni metallici magnetici (o radicali), hanno un grave problema: solo pochi materiali sono stati trovati per mostrare i fenomeni di accoppiamento a temperatura ambiente. Recentemente, abbiamo proposto un nuovo approccio per raggiungere temperatura magnetoelectrics. In contrasto con gli approcci convenzionali, la nostra proposta alternativa si concentra su un materiale completamente diverso, "cristalli liquidi", esenti da ioni di metallo magnetici. In tali cristalli liquidi, un campo magnetico può essere utilizzato per controllare lo stato orientativo delle molecole costituenti e la polarizzazione elettrica corrispondente attraverso anisotropia magnetica delle molecole; è un meccanismo senza precedenti dell'effetto multifrequenziali. In questo contesto, la carta fornisce un protocollo per misurare le proprietà ferroelettriche indotte da un campo magnetico, vale a dire l'effetto magnetoelettriche diretto, in un cristallo liquido. Con il metodo descritto qui, abbiamo rilevato correttamente sintonizzato magneticamente polarizzazione elettrica nella fase chirale smettiche C a cristalli liquidi a temperatura ambiente. Insieme con la flessibilità delle molecole costituenti, che interessa direttamente le risposte magnetoelettrici, il metodo introdotto servirà a consentire alle cellule di cristalli liquidi di acquisire ulteriori funzioni come temperatura magnetoelectrics e associati materiali ottici.

Introduzione

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Ricerca sul magnetoelettriche (ME) effetto, l'induzione di polarizzazione elettrica (magnetizzazione) da un campo magnetico (elettrico), è stata focalizzata verso i nuovi tipi di applicazioni come sensori e tecnologie di archiviazione. Con recenti studi su di ME multiferroici1,2,3,4, i sistemi di destinazione nel campo di ME studio sono estese ai vari tipi di materiali allo stato solido, tra cui organici, inorganici, e Quadri di metallo-organici, utilizzando giunti spin-reticolo destramente5,6,7,8,9. Tuttavia, operazione di temperatura, che deve essere compiuta per utilizzazione pratica di ME materiali con loro ME giunti, è ancora un problema impegnativo, e un numero molto limitato di materiali monofase è stato segnalato come temperatura magnetoelectrics ad oggi10.

Cristalli liquidi, che possiedono un ordine orientazionale, a volte con una parziale posizionale, sono stati esaminati anche per quanto riguarda ME materiali in anni recenti11,12,13,14, 15. uno dei vantaggi dei cristalli liquidi come ME materiali è la loro temperatura di funzionamento, come fasi di cristalli liquidi sono in genere stabilizzati intorno a temperatura ambiente. Un esempio di ME cristalli liquidi segnalati finora è un composito tra nano-piastrine magnetiche con anisotropia magnetica perpendicolare e cristalli liquidi che mostra la fase nematica, noto come la fase più semplice di cristalli liquidi solo possedendo unidimensionale ordine orientazionale15. Essa mostra il contrario mi effetto, l'induzione di magnetizzazione di un campo elettrico, attraverso la manipolazione di campo elettrico della piastrina accoppiata e orientamenti molecolari.

Più recentemente, un'altra strategia unica per stabilire il programma ME effetto a cristalli liquidi è stato proposto16. Il focus di questa strategia è quello di creare una fase di C (SmC *) smettici chirali con ordine posizionale unidimensionale, risultante in una struttura diffusa strato chiamata lo strato smettiche. Una caratteristica della fase di SmC è che un vettore di orientamento molecolare n è accoppiato con un momento di dipolo elettrico locale p. Questa correlazione è fornita dalla combinazione di inclinato orientamento delle molecole costituenti asta-come per quanto riguarda lo smettiche strato normale n0 e la chiralità indotta specchio (e inversione) rottura di simmetria nelle molecole. Dal punto di vista delle simmetrie, il primo cambia la simmetria da D∞h (la cosiddetta fase di SmA, Figura 1A) in C2h (la cosiddetta SmC fase, Figura 1B) e la quest'ultimo rompe la simmetria di specchio di C2h affinché la simmetria è ridotta in C2 (fase di SmC *, vedere ogni strato in Figura 1). In ogni SmC * strato, è consentita la presenza di polarizzazione finiti lungo l'asse di2 C, che è normale sia n0 e n. Il forte accoppiamento tra n e p è essenziale per la ferroelettricità in cristalli liquidi. Nella fase di SmC *, n allinea in modo elicoidale attraverso strati (Figura 1), e quindi non c'è nessuna polarizzazione macroscopici. Ferroelettricità in tali cristalli liquidi è ottenuta utilizzando forti effetti di superficie, che stabilizzano lo stato orientato in modo omogeneo di n noto come un superficie-stabilizzato ferroelettrici cristalli liquidi (SSFLC) stato (Figura 1). Si deve osservare che l'inversione di polarizzazione ferroelettrica sempre accompagna una commutazione degli Stati bi-stabile orientamento attraverso l'accoppiamento tra n e p17. Come l'effetto inverso, un cambiamento nell'orientamento molecolare della fase di SmC dovrebbe dar luogo a un cambiamento nella polarizzazione elettrica. Attraverso anisotropia magnetica causata da giri su elementi magnetici e/o anelli aromatici in molecole di cristalli liquidi e la flessibilità di n in uno stato di cristalli liquidi a causa di interazioni molecolari più debole rispetto a uno stato solido cristallo, n è sintonizzabile anche da un campo magnetico. Così, la fase di SmC può essere trasformata in uno stato in modo omogeneo orientato magnetica indotta da campo simile a uno stato SSFLC. Dunque, il diretto ME effetto, l'induzione di polarizzazione elettrica da un campo magnetico, è realizzato come lo sviluppo della polarizzazione elettrica macroscopica è indotta da un allineamento omogeneo di n accoppiato con p, in tutti gli strati.

Introduciamo le procedure per preparare cellule a cristalli liquidi per l'indagine di ME giunti e metodologie per rilevare il ME effetto. Un metodo per la preparazione delle celle a cristalli liquidi è stata segnalata in dettaglio in precedenza18. Qui, abbiamo modificato questo metodo per ME e dielettrico misurazioni. Con il metodo descritto qui, abbiamo rilevato magneticamente-sintonizzati polarizzazione elettrica, vale a dire la diretta ME effetto, a cristalli liquidi che mostra la fase di SmC a temperatura ambiente.

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Protocollo

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1. preparazione di cellule a cristalli liquidi e la determinazione del divario delle cellule

  1. Preparazione delle cellule a cristalli liquidi
    1. Tagliare il vetro substrati rivestiti con ossido di indio/stagno (ITO) su un lato nella dimensione desiderata (dimensione tipica: 10 x 10 x 1,1 mm, Figura 2A). Per tagliare i substrati, graffiare una linea sulla loro faccia con un tagliavetro e rompere il vetro in eccesso manualmente.
    2. Lavare i substrati di vetro tagliato con un detergente in un bagno ad ultrasuoni 35 kHz per 30 min. Sciacquare con acqua deionizzata in bagno ad ultrasuoni per 10 min. Sostituisci deionizzato acqua e sciacquare i substrati 5 volte per rimuovere i contaminanti (Figura 2B). Soffiare via l'acqua residua con una pistola ad aria-duster con cura di non toccare le facce più ampie dei substrati.
    3. Gocciolare soluzioni polyimide (piallatrice di strato di allineamento in Tabella materiali) sul lato rivestite con ITO dei substrati lavati e spin-cappotto le soluzioni a 5000 rpm per 30 s (Figura 2). Cuocere i substrati a 200 ° C per 1 h rimuovere il solvente e curare le pellicole sottili di polyimide.
    4. Mettere i substrati su un palcoscenico XZ , in modo che il lato rivestito di ITO e polyimide dei substrati sia rivolto verso l'alto. Posizionare i substrati sotto un rullo coperto con un panno di velluto e la correzione dei substrati di aria di aspirazione (Figura 2D). Applicare una pressione uniforme e morbida sui substrati con il rullo di regolazione dell'altezza della fase.
      Nota: Qui, la fase XZ è stata effettuata da un'officina meccanica all'Università di Osaka.
    5. Ruotare il rullo e la fase avanti e indietro sotto il rullo 5 volte lungo la direzione orizzontale a strofinare i substrati del panno di velluto. Immergere i substrati strofinati in alcool isopropilico in un contenitore di vetro di 10 – 50 mL per 1 min rimuovere i contaminanti e asciugarle a 80 ° C per pochi minuti.
    6. Incollare i due substrati insieme 12 film di resina piatto Spessore μm come distanziali. Si noti che adesivi punti sono collocati soltanto al bordo dei substrati e i lati interni dei substrati incollati sono rivestiti con il polyimide e ITO. Assicurarsi che i substrati opposti sono stati strofinati antiparallelo e sono leggermente spostati (circa 2 mm) per fornire spazi sufficienti per terminali elettrici su entrambi i substrati (Figura 2E).
    7. Incollare i fili conduttori sugli spazi suddetti per terminali utilizzando argento conducendo Incolla (Figura 2F). Cuocere i substrati con fili conduttivi a 150 ° C per 1 h rimuovere il solvente nella pasta conduttiva argento.
  2. Determinazione dei gap tra cellule 19
    1. Irradiare le cellule in bianco preparate in 1.1.7 con luce bianca moltiplicazione normale loro faccia più ampia. Misurare gli spettri di trasmissione utilizzando uno spettrometro ottico e osservare l'oscillazione pseudo-sinusoidale (Figura 3), che appare a causa del effetto di Fabry-Pérot20.
    2. Stimare il divario di cella d utilizzando la relazione d = λ1λ22 (λ2-λ1), dove la lunghezza d'onda λ1 e λ 2 indicare una coppia di picco-lunghezze d'onda adiacenti gli spettri di trasmissione.

2. preparazione della miscela di cristalli liquidi e introduzione nelle cellule

  1. Mescolare i due composti, 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) pirimidina (composto 1: Figura 4A) e (della pirimidina S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) fenil] (composto 2: Figura 4B) con un rapporto tra massa di 3:1 in un flaconcino di vetro. Preparare 100 mg della soluzione in totale (75 mg di composto 1 e 25 mg di composto 2).
  2. Mettere la cella vuota preparata dal passo 1.1.7 su un elemento riscaldante, mantenendo la temperatura a 80 ° C, una temperatura alla quale la miscela da 2.1 è in fase liquida isotropica (Figura 5). Introdurre la miscela dal punto 2.1 nella cellula utilizzando una spatola e azione capillare. Mantenere la temperatura a 80 ° C per 30 min, poi raffreddare a temperatura ambiente a una velocità di circa 5 ° C/min.

3. il campione caratterizzazione

  1. Posto una cella riempito con la miscela dal passaggio 2.2 su un elemento riscaldante tra due polarizzatori incrociati e si irradiano con luce. Osservare la texture della miscela con il cambiamento di temperatura da temperatura ambiente a 80 ° C a una velocità di 5 ° C/min utilizzando un microscopio (e un filtro passa-breve con tuning gamma di ~ 600 nm per migliorare la visibilità, se necessario) e identificare le fasi di cristalli liquidi da polarizzazione micrografie21 (Figura 6).
  2. Determinare le temperature fase sequenza e transizione di transizione tra le textures osservate (Figura 5). Per la fase di SmC *, stimare il passo elicoidale come doppio della larghezza di banda.
  3. Confermare le temperature di transizione di fase del primo ordine della miscela preparata nel 2.1 dall'analisi termica differenziale (DTA; Vedi Tabella materiali e le istruzioni del produttore), che fornisce un'anomalia di picco (o dip) in una fase del primo ordine transizione (Figura 7).

4. dielettriche e magnetoelettrici misure

  1. Preparare un magnete superconduttore commerciale (Vedi Tabella materiali) dotato di regolatori di temperatura (2-400 K) e campo magnetico (fino a 9 T).
  2. Preparare un inserto fatti in casa per il magnete superconduttore, che consiste di tre parti principali: spazio campionario, una canna tra cui quattro cavi coassiali e un connettore terminale (Figura 8A).
  3. Incollare la cella preparata in 2.2 su spazio campionario dell'inserto (Figura 8B). Collegare i due fili conduttori della cella ai morsetti (alta e bassa) dello spazio campionario di saldatura. Assicurarsi che l'orientamento della cella in modo da applicare un campo magnetico in direzione parallela ai substrati della cella. Inserire un termometro sul piano più ampio della cella al fine di misurare con precisione la temperatura del campione e introdurre l'inserto il magnete superconduttore.
  4. Collegare i morsetti del connettore con un misuratore LCR (Vedi Tabella materiali) con cavi coassiali. Misurare la costante dielettrica in funzione della temperatura e campo magnetico per mezzo di quasi quattro metodi terminale con il misuratore LCR (Vedi istruzioni e il nostro precedente lavoro16).
  5. Collegare i morsetti del connettore con un elettrometro (Vedi Tabella materiali) con cavi coassiali. Misurare il campo magnetico e temperatura dipendenza della corrente di spostamento con l'elettrometro mentre spazzare un campo magnetico e temperatura ad un tasso costante (1,0 T/min per spazzare campo magnetico e 5 K/min per spazzare temperatura; si veda le istruzioni del produttore e il nostro precedente lavoro16). Ottenere la polarizzazione elettrica integrando lo spostamento corrente in funzione del tempo.

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Risultati

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Il protocollo è considerato un successo se ME effetto nei campioni di cristalli liquidi si osserva solo. Qui abbiamo misurato il diretto ME effetto in un campione di cristalli liquidi preparato da suddette procedure. Per le misurazioni, è stato applicato un campo magnetico in piano con l'angolo inclinato di circa 45° dalla direzione di sfregamento (normale agli strati smettiche), perché la polarizzazione magnetica indotta da campo più grande è stata rilevata in questa configurazione

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Discussione

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I risultati sperimentali hanno mostrato che i metodi descritti qui con successo ha dimostrato il ME giunto a cristalli liquidi. Osservati effetti magneto-dielettrico e ME possiamo essere associati con la transizione orientativo di orientazione molecolare in una struttura a strati smettiche fisso. Tuttavia, il livello normale direzione n0 nella struttura strato può essere cambiato anche applicando un campo magnetico attraverso anisotropia magnetica. Ciò è perché le molecole preferiscon...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Ringraziamo la Prof. ssa Takanishi per il suo aiuto nel nostro esperimento. Ringraziamo anche DIC Corporation per fornire i composti studiati qui. Questo lavoro è stato supportato dalla sovvenzione per i compagni di JSP (16J02711), JSP KAKENHI Grant numero 17H 01143 e il programma per le principali scuole laureate "Programma interattivo materiali Cadet".

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Materiale
Composto 1: Figura 4(A)DIC Co., Ltd.– N/APYP-8O8
Composto 2: Figura 4(B)DIC Co., Ltd.N/APYP-10O10F
Substrati di vetro rivestiti ITOSigma-Aldrich Inc.703192-10PK
DetergenteWako Pure Chemical Industries, Ltd.031-10401
Pialla a strati di allineamentoJSR Co., Ltd.AL1254
DistanziatoreTeijin Film Solutions Co., Ltd.Q51-12
CollaHuntsman Inc.ARALDITE RT30Per l'incollaggio di due substrati
CollaM& I Materiali ltd.Apiezon H GrassoPer l'incollaggio di una cella e inserto fatto in casa
Pasta d'argentoFujikura Kasei Co., Ltd.D-753
Equipment
Pulitore ad ultrasuoniAS ONE Corp.
Spin coaterMikasa Co. Ltd.1H-D7
Nikon Co., Ltd.ECLIPSE LV100N POL
Filtro passa cortoThorlabs Inc.FB600-40
Spettrometro otticoOcean Optics Inc.Analizzatore termico differenziale USB2000+UV-VIS
Rigaku Co., Ltd.Magnete superconduttore Thermo plus EVO2
Quantum Design Inc.PPMS
Keysight Technologies Ltd.E4980A
ElettrometroKeithley Instruments Inc.6517A
AS52GTUMicroscopio ottico polarizzato Misuratore LCR

Riferimenti

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