액정에 자석으로 조정 Ferroelectric 편광 측정

요약

이 보고서에서 선물이 액정에 자기장을 적용 하 여 직접 magnetoelectric 효과, 즉, ferroelectric 분극의 유도 검사 하는 프로토콜. 이 프로토콜에는 실내 온도 magnetoelectrics를 달성 하기 위해 액정의 부드러움에 의해 지원 되는 독특한 접근 방식을 제공 합니다.

초록

자기와 (페로) 전기 사이의 커플링 현상을 보여주는 자료, 즉, magnetoelectric 효과, 센서 및 스토리지와 같은 미래의 장치 기술에 대 한 그들의 잠재적인 응용 프로그램으로 인해 관심의 큰 거래를 받고 있다. 그러나, 일반적으로 자석 금속 이온 (또는 래 디 칼)를 포함 하는 자료 활용, 기존의 접근 문제가 주요: 실 온에서 커플링 현상을 보여 몇 가지 재료만 발견 되었습니다. 최근, 우리는 실내 온도 magnetoelectrics를 달성 하는 새로운 접근을 제안 했다. 기존의 접근 달리 우리의 대체 제안 완전히 다른 소재, "액체 크리스탈", 자석 금속 이온에서 무료에 집중 한다. 이러한 액정에 자기장 구성 분자와 분자;의 자기 이방성을 통해 해당 전기 분극의 근처 상태 제어에 이용 될 수 있다 그것은 magnetoelectric 효과의 전례 없는 메커니즘입니다. 이러한 맥락에서이 종이 자기장, 즉, 직접 magnetoelectric 효과 액정에 의해 유도 된 ferroelectric 속성을 측정 하는 프로토콜을 제공 합니다. 여기서 설명 하는 방법으로 우리는 성공적으로 상 온에서 액정의 카이 랄 smectic C 단계에서 자석으로 조정 전기 분극 감지. Magnetoelectric 응답에 직접적인 영향을, 구성 분자의 유연성을 함께 찍은 도입된 방법 실내 온도 magnetoelectrics 더 많은 기능을 얻으려고 액정 셀 수 있도록 될 것입니다와 관련 된 광학 재료입니다.

서론

(나) 효과, 자석 (전기) 분야에 의해 전기 분극 (자화)의 유도에 있는 magnetoelectric 연구, 새로운 유형의 센서 및 스토리지 기술 쪽으로 초점을 맞추고 있다. 최근 multiferroics^,12,3,4, 대상 시스템에 연구의 분야에서 연구 고체 재료, 무기, 유기를 포함 하 여 다양 한 유형의 확장 및 스핀-격자 커플링을 이용 하 여 금속-유기 프레임 워크 dexterously^5,6,7,,89. 그러나, 나의 실질적인 활용에 대 한 수행 되어야 하는 실내 온도 작업 자료 그들의 ME와 커플링, 아직도 어려운 문제 이며 단일 재료의 매우 제한 된 수 실 온으로 보고 되었습니다 ¹⁰까지 magnetoelectrics입니다.

액정 부분 위치 것으로 때로는 근처 순서를 소유 하는 나에 관하여 검사도 있다 최근 몇 년 동안^11,12,,1314, 자료 ¹⁵. 하나 나 액정의 장점 자료는 그들의 작업 온도 액정 단계는 일반적으로 실내 온도 주위 안정. 예를 들어 나의 액정 보고 지금까지 수직 자기 이방성과 자성 나노-혈소판 및 간단한 액정 위상으로 알려진 nematic 단계를 보여주는 액정 사이 합성 소지만 1 차원 근처 순서¹⁵. 그것은 대화 나 효과의 결합 된 혈소판 및 분자 방향 전기 분야 조작을 통해 전기 분야에 의해 자화의 유도 보여준다.

더 최근에, ME를 설치 하는 다른 독특한 전략 효과 액정에는 제안 된¹⁶. 이 전략의 초점은 smectic 레이어라고 확산된 계층 구조에서 발생 하는 1 차원 위치 순서와 카이 랄 smectic C (smc와 *) 단계를 만드는 것입니다. SmC * 단계의 한 특성은 분자 방향 벡터 n 은 지역 전기 쌍 극 자 모멘트 p에 대 한 결합 이다. 이 상관 관계 smectic 레이어 정상 n₀ 및 카이랄성 유도 (미러와 반전) 대칭 분자에서 막대 모양의 구성 분자의 기울어진된 방향의 조합에 의해 제공 됩니다. 대칭의 관점에서 전 D_∞h (소위 SmA 단계, 그림 1A)에서 대칭으로 변화 C_2h (소위 SmC 단계, 그림 1B), 그리고 대칭은 C₂ 로 감소 되도록 후자의 나누기 C_2h 의 거울 대칭 (SmC * 단계, 그림 1C에서 각 레이어를 참조 하십시오). 각 SmC * 레이어, 유한 분극의 존재는 정상 n₀ 와 n C₂ 축을 따라 허용 됩니다. N 와 p 사이 강한 커플링 액정에 ferroelectricity에 대 한 필수적입니다. SmC * 단계에서 n 정렬 레이어 레이어 (그림 1C)를 통해 helicoidal 방식에서 이며 따라서 아무 거시적인 분극. 이러한 액정에 ferroelectricity 표면 안정화 ferroelectric 액정 (SSFLC) 상태 라고 (그림 1D) n 의 균질 지향된 상태 안정 강한 표면 효과 사용 하 여 이루어집니다. 그것은 항상 ferroelectric 분극 반전 n 및 p¹⁷사이의 커플링을 통해 bi-안정적 방향 상태 전환 함께 주목 한다. 반전 효과로 SmC * 단계의 분자 방향 변경 전기 분극에 변화를 야기할 전망 이다. 통해 자기 이방성 자기 요소 액정 분자와 고체 결정 상태에서 보다 약한 분자 상호 작용으로 인해 액정 상태에서 n 의 유연성에 향기로운 반지에 회전에 의해 발생, n 은 자기장에 의해 또한 조정할 수 따라서, SmC * 단계 SSFLC 상태와 유사한 마그네틱 필드 유도 균질 지향 상태로 변환할 수 있습니다. 따라서, 직접 나 효과 자기장에 의해 전기 분극의 유도 거시적인 전기 분극의 개발은 n p, 모든 층에서 결합의 균질 맞춤에 의해 유도 된으로 이루어집니다.

우리 커플링 및 ME를 감지 하는 방법론의 조사에 대 한 액정 셀을 준비 하는 절차를 소개 효과. 방법-액정 셀의 준비에서 보고 되었다에 대 한 선발 이전¹⁸. 여기, 우리는 유 전체와 나이 방법은 측정을 수정. 여기서 설명 하는 방법으로 우리는 실 온에서 SmC * 단계를 보여주는 액정에 자석으로 조정 전기 분극, 즉, 직접 나 효과, 감지.

프로토콜

1. 액정 셀과 셀 간격의 결정의 준비

1. 액정 셀의 준비
   1. 원하는 크기에 한쪽에 인듐/주석 산화물 (ITO) 코팅 컷 유리 기판 (전형적인 크기: 10 x 10 x 1.1 m m, 그림 2A). 기판 절단, 유리 커터와 그들의 얼굴에 선 스크래치 하 고 과잉 유리를 수동으로 끊다.
   2. 35 khz 초음파 목욕 30 분에 대 한 세제를 사용 하 여 컷 유리 기판 10 분 바꾸기 이온된에 대 한 초음파 목욕에 이온을 제거 된 물으로 씻는 워시 물 하 고 (그림 2B) 오염 물질을 제거 하는 기판 5 번 씻어. 나머지 물 한 공기-살포 기-총 주의 기판의 넓은 얼굴을 만지지에서 날 려.
   3. 30에 대 한 5000 rpm에서 솔루션 씻어 기질, 그리고 스핀 코트의 이토 코팅 면에 구체의 솔루션 ( 재료의 테이블에서에서 정렬 레이어 평면) 물방울 s (그림 2C). 기판 용 매를 제거 하 고 폴 리 이미 드 박막 치료를 1 시간에 200 ° C에서 구워.
   4. 기판의 이토와 구체의 코팅 면이 위쪽으로 향하도록 하는 기판 XZ 단계에 넣어. 수정에 의해 기판 (그림 2D) suctioning 공기와 벨벳 천으로 덮여 롤러 아래 기판 놓습니다. 무대의 높이 조정 하 여 롤러와 기판에 균일 하 고 부드러운 압력을 적용 합니다.
      참고: 여기, XZ 무대에 의해 만들어진 오사카 대학에서 기계 공장.
   5. 롤러를 회전 하 고 앞뒤로 5 번 벨벳 천을 사용 하 여 기판에 문질러 수평 방향 따라 롤러 아래 단계를 이동 합니다. 1 분, 오염 물질 제거에 대 한 10-50 mL 유리 컨테이너에 이소프로필 알콜으로 문질러 서 기판와 80 ° C에서 몇 분 동안 그들을 건조.
   6. 12 μ m 두께 평면 수 지 필름 함께 두 기판 스페이서로 접착제. Note와 붙어 기판의 안쪽 면은 이토와 구체의 코팅 접착제 포인트는 기판의 가장자리에만 배치 됩니다. 반대 기판 antiparallel을 문질러 하 서는 약간 이동 (약 2 mm) (그림 2E) 기판에 전기 터미널에 대 한 충분 한 공간을 제공 있는지 확인 합니다.
   7. 터미널을 사용 하 여 붙여넣기 (그림 2F) 수행은 위에서 언급 한 공간에 지휘 철사를 붙입니다. 실버 전도성 붙여넣기에 용 매를 제거 하는 1 시간에 150 ° C에서 전도성 철사와 기판에 구 우 십시오.
2. 셀 간격의 결정 ¹⁹
   1. 1.1.7에 전파 하는 그들의 넓은 얼굴에 하얀 빛을 준비 하는 빈 셀 비추는 광학 분 광 계를 사용 하 여 전송 스펙트럼을 측정 하 고 의사 정현파 진동 (그림 3), Fabry-Pérot 효과²⁰때문에 나타나는 합니다.
   2. 관계 d 를 사용 하 여 셀 간격 d 를 예측 = λ₁λ2/2 (λ₂-λ₁), 어디 파장 λ₁ 그리고 λ ₂ 전송 스펙트럼에 인접 한 피크 파장의 한 쌍을 나타냅니다.

2. 액정 혼합물 및 셀에 대 한 소개의 준비

1. 두 화합물, 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) pyrimidine 믹스 ( 1복합: 그림 4A)와 (S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) 페 닐] pyrimidine (복합 2: 그림 4B) 유리 유리병에 3: 1의 대량 비율. 총 (75 mg 화합물 1 과 화합물 2의 25 mg) 솔루션의 100 밀리 그램을 준비 합니다.
2. 뜨거운 무대, 80 ° C, 온도는 2.1에서 혼합물은 등방성 액체 단계 (그림 5)에서 온도 유지에 1.1.7 단계에서 준비 된 빈 셀을 넣어. 주걱과 모 세관 동작을 사용 하 여 셀에 단계 2.1에서에서 혼합물 소개. 30 분 동안 80 ° c 셀 온도 유지 후 약 5 ° C/min의 속도로 실내 온도에 아래로 냉각.

3. 샘플 특성화

1. 셀 두 교차 편광판 사이 뜨거운 무대에서 단계 2.2에서에서 혼합물으로 채워진 장소와 빛으로 비추는. 관찰 하는 현미경을 사용 하 여 80 ° c에 5 ° C/min의 속도로 상 온에서 온도 변화 혼합물의 텍스처 (와 짧은 패스 필터 튜닝 ~ 600의 범위 nm 필요한 가시성을 향상), 액정 단계에서 식별 하 고 편광 현미경²¹ (그림 6).
2. 관찰 된 텍스처 (그림 5)에서 위상 전환 시퀀스 및 전환 온도 확인 합니다. SmC * 단계, 이중 스트라이프 폭으로 helicoidal 피치를 견적 한다.
3. 2.1에서 차동 열 분석에 의해 준비 된 혼합물의 1 차 단계 전환 온도 확인 (DTA; 테이블의 재료 와 제조 업체의 지침을 참조), 제공 하는 1 차 단계에서 피크 (또는 딥) 변칙 전환 (그림 7)입니다.

4. 유 전체 및 Magnetoelectric 측정

1. 상업적인 초전도 자석 준비 온도 컨트롤러 (2-400 K)와 자기장 (9 T)까지 갖춘 ( 재료의 표참조).
2. 세 가지 주요 부분으로 구성 되어 초전도 자석 수 제 삽입 준비: 표본 공간, 막대 4 동축 케이블 및 커넥터 터미널 (그림 8A) 포함.
3. 셀을 삽입 (그림 8B)의 표본 공간에 2.2에 붙입니다. 납땜 하 여 세포의 2 개의 전도성 철사의 샘플 공간 (높고 낮음) 터미널에 연결 합니다. 셀의 기판에 방향 동시에 자기장을 적용 되므로 셀 방향의 있는지 확인 하십시오. 시료의 온도 정확 하 게 측정 하 고 초전도 자석으로 삽입 소개 셀의 넓은 평면에 온도계를 놓습니다.
4. LCR 미터에 연결관 맨끝을 연결 ( 재료의 표참조) 동축 케이블. LCR 미터 (참조 제조 업체의 지침과 우리의 이전 일¹⁶)와 함께 준 4 개의 터미널 방법에 의하여 온도 자기장의 함수로 유전 상수 측정 합니다.
5. 전위 계에 연결관 맨끝을 연결 ( 재료의 표참조) 동축 케이블. 자기장 및 (연소 자기장에 대 한 1.0 T/min와 연소 온도 위한 5 K/min; 참조 일정 속도로 온도 청소 하는 동안는 전위 계와 변위 전류-자기장 그리고 온도 의존을 측정 제조 업체의 지침 고 우리의 이전 작품¹⁶). 시간의 기능으로 현재 변위를 통합 하 여 전기 분극을 얻을.

결과

프로토콜 ME 액정 견본에 적용 하는 경우는 관찰만 성공으로 간주 됩니다. 여기 우리가 직접 나 상기 절차에 의해 준비 된 액정 샘플 효과 측정. 측정을 위해 비행기에 자기장 최대 자기 분야 유도 된 분극이 구성¹⁶에서 감지 하기 때문에 마찰 방향 (smectic 레이어 정상)에서 약 45 ° 기울어져 각도 적용 되었습니다.

그림 9A 전기 분극의 온도 프로 파일을 보여 줍니다. SmA * 단계, 아니 전기 분극 또는 자기장, SmA * 단계 magnetoelectric는 의미 없이 발전 한다. 이 결과 isotropy smectic 레이어 정상 주 축에 수직인 평면에 의해 잘 설명 된다, SmA * 단계 포인트의 그룹 D_∞ (고려 ...

토론

실험 결과 성공적으로 여기에서 설명한 메서드는 액정에 커플링 ME 시연 했다. 관찰 저와 매 그 니 토-유 전체 효과 연결할 수 고정된 smectic 계층 구조에 있는 분자 오리엔테이션의 근처 전환. 그러나, 계층 구조에서 레이어 수직 방향 을 n₀ 는 자기 이방성을 통해 자기장을 적용 하 여 또한 변경할 수 있습니다. 이 때문에 분자 n 와 그들의 자기 이방성을 통해 자기장의 병렬 배치를가지고 싶다. N₀ 와 자기장의 병렬 배치는 MIFLC 상태로 SmC * 단계, 또한 helicoidal 상태 보다 더 안정.

ME를 관찰 하 고 자기 유 전체 효과 성공적으로, SmC * 단계를 적절 한 단계는 중요. 각 측정 전에 샘플 등방성 액체 단계에 위로 열 하 고 냉각 제로 자기장에서 SmA * 단계를 문 지...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
<강>재료
화합물 1: 그림 4(A)	(주)DIC	– N/A	PYP-8O8
화합물 2: 그림 4(B)	DIC Co., Ltd.	N/A	PYP-10O10F
ITO 코팅 유리 기판	Sigma-Aldrich Inc.	703192-10PK
세제	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	031-10401
얼라이먼트 레이어 대패	JSR 주식회사	AL1254
스페이서	Teijin 필름 솔루션 Co., Ltd.	Q51-12
접착제	헌츠맨 Inc.	ARALDITE RT30	두 개의 기판
접착제	M & 접착 용; I 재료 회사	Apiezon H 그리스	셀과 수제 인서트 접착용
실버 페이스트	Fujikura Kasei Co., Ltd.	D-753
Equipment
초음파 세척기	AS ONE Corp.
스핀 코터	주식회사 미카사	1H-D7
편광 광학 현미경	니콘 주식회사	ECLIPSE LV100N POL
쇼트 패스 필터	Thorlabs Inc.	FB600-40
광학 분광계	Ocean Optics Inc.	USB2000+UV-VIS
시차 열 분석기	Rigaku Co., Ltd.	Thermo plus EVO2
초전도 자석	Quantum Design Inc.	PPMS
LCR 측정기	Keysight Technologies Ltd.	E4980A
전위계	Keithley Instruments Inc.	6517ᅡ