Artigo de método

Medir a polarização ferroelétrica magneticamente sintonizado em cristais líquidos

DOI:

10.3791/58018

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15 de agosto de 2018

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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

Neste artigo

Resumo

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Neste relatório, nós apresentamos um protocolo para examinar os efeitos directos magnetoelectric, i.e., indução de polarização ferroelétrica aplicando campos magnéticos, em cristais líquidos. Este protocolo fornece uma abordagem única, suportada com a suavidade de cristais líquidos, para atingir a temperatura magnetoelectrics.

Resumo

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Materiais que apresentam fenômenos de acoplamento entre magnetismo e eletricidade (ferro), ou seja, efeitos magnetoelectric, têm atraído muita atenção devido a suas potenciais aplicações para tecnologias futuras dispositivo como sensores e armazenamento. No entanto, abordagens convencionais, que normalmente utilizam materiais contendo íons de metal magnéticos (ou radicais), tem um grande problema: apenas alguns materiais foram encontrados para mostrar os fenômenos de acoplamento à temperatura ambiente. Recentemente, propusemos uma nova abordagem para alcançar a temperatura magnetoelectrics. Em contraste com as abordagens convencionais, nossa proposta alternativa incide sobre um material completamente diferente, um "cristal líquido", livre de íons metálicos magnéticos. Em tais cristais líquidos, um campo magnético pode ser utilizado para controlar o estado como orientação das moléculas constituintes e a polarização elétrica correspondente através de anisotropia magnética das moléculas; é um mecanismo sem precedentes do efeito magnetoelectric. Neste contexto, este artigo fornece um protocolo para medir propriedades ferroelétricos induzidas por um campo magnético, ou seja, o magnetoelectric efeito directo, em cristal líquido. Com o método detalhado aqui, detectamos com êxito polarização elétrica magneticamente sintonizado na fase quiral esmates C do cristal líquido à temperatura ambiente. Tomados em conjunto com a flexibilidade de moléculas constituintes, que afecta directamente as respostas magnetoelectric, o método introduzido servirá para permitir que as células de cristal líquido adquirir mais funções como temperatura magnetoelectrics e associados materiais ópticos.

Introdução

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Pesquisa sobre o magnetoelectric (ME) efeito, a indução de polarização elétrica (magnetização) por um campo magnético (elétrico), concentrou-se em direção os novos tipos de aplicativos como sensores e tecnologias de armazenamento. Com recentes estudos sobre mim multiferroics1,2,3,4, os sistemas de destino no campo dos ME estudo são estendidas para vários tipos de materiais de estado sólidos, incluindo inorgânicos, orgânicos, e estruturas metal-orgânicas, utilizando-se acoplamentos spin-lattice destreza5,6,7,8,9. No entanto, operação de temperatura, que deve ser realizada para a utilização prática de mim materiais com seu ME acoplamentos, ainda é um assunto desafiador, e um número muito limitado de materiais monofásicos têm sido relatado como temperatura magnetoelectrics até à data de10.

Cristais líquidos, que possuem uma ordem como orientação, às vezes com uma posição parcial, também foram examinados em relação a mim materiais em anos recentes11,12,13,14, 15. uma das vantagens de cristais líquidos como ME materiais é sua temperatura de operação, como as fases de cristal líquido normalmente são estabilizadas em torno da temperatura ambiente. Um exemplo de mim cristais líquidos relatados até agora é um composto entre magnéticas nano-plaquetas com anisotropia magnética perpendicular e cristais líquidos, mostrando a fase nemática, conhecido como a fase de cristal líquido mais simples possuindo apenas unidimensional como orientação ordem15. Ele mostra o inverso de mim o efeito, a indução de magnetização por um campo elétrico, através da manipulação do campo elétrico das plaquetas acoplada e orientações moleculares.

Mais recentemente, outra estratégia única para estabelecer o ME efeito em cristais líquidos foi proposto16. O foco desta estratégia é criar uma fase de C (SmC *) quiral esmates com ordem posicional unidimensional, resultando em uma estrutura difusa camada chamada de camada de esmates. Uma característica da fase de SmC é que um vetor de orientação molecular n está associada a um momento de dipolo elétrico local p. Esta correlação é fornecida pela combinação de orientação inclinada das moléculas constituintes de haste-como no que diz respeito a camada de esmates normal n0 e a induzida pela quiralidade espelho (e inversão) da simetria nas moléculas. Do ponto de vista de simetrias, o antigo transforma a simetria de D∞h (a chamada SmA fase, figura 1A) C2h (a chamada SmC fase, figura 1B) e o Esta última quebra a simetria de espelho de C2h para que a simetria é reduzida em C2 (fase de SmC *, ver cada camada em Figura 1). Em cada camada de SmC *, a presença de polarização finita é permitida no eixo C2 , que é normal a n0 e n. O forte acoplamento entre n e p é essencial para a Ferroeletricidade em cristais líquidos. Na fase de SmC *, n alinha na forma helicoidal através de camada por camada (Figura 1), e, portanto, não há nenhuma polarização macroscópica. Ferroeletricidade em tais cristais líquidos é conseguida usando fortes efeitos de superfície, que estabiliza o estado homogeneamente orientado de n conhecida como um superfície estabilizada ferroelétrica cristal líquido (SSFLC) Estado (Figura 1). Note-se que a reversão de polarização ferroelétrica sempre acompanha uma comutação dos Estados bi-estável orientação através do acoplamento entre n e p17. Como o efeito inverso, uma mudança de orientação molecular da fase de SmC deverá dar origem a uma mudança na polarização elétrica. Através de anisotropia magnética causada por rodadas em elementos magnéticos e/ou anéis aromáticos em moléculas de cristal líquido e a flexibilidade de n em um estado de cristal líquido devido às interações moleculares mais fracos do que em um estado de cristal sólido, n é também sintonizável por um campo magnético. Assim, a fase de SmC pode ser transformada em um campo magnético-induzido homogeneamente orientado estado semelhante a um estado SSFLC. Portanto, o direto ME afetar, a indução de polarização elétrica por um campo magnético, é alcançado como o desenvolvimento de polarização elétrica macroscópica é induzido por um alinhamento homogêneo de n juntamente com p, em todas as camadas.

Apresentamos os procedimentos para preparar células de cristal líquido para a investigação de mim acoplamentos e metodologias para detectar o ME efeito. Um método para a preparação de células de cristal líquido foi reportada em detalhe anteriormente18. Aqui, nós modificamos este método para mim e o dielétrico para medições. Com o método detalhado aqui, detectamos a polarização elétrica magneticamente sintonizado, ou seja, o direto ME efeito, em cristal líquido mostrando a fase de SmC à temperatura ambiente.

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Protocolo

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1. preparação de células de cristal líquido e a determinação do diferencial do celular

  1. Preparação de células de cristal líquido
    1. Substratos de cortar vidro revestidos com óxido-índio/estanho (ITO) de um lado para o tamanho desejado (tamanho típico: 10 x 10 x 1,1 mm, Figura 2A). Para cortar os substratos, riscar uma linha na sua cara com um cortador de vidro e quebrar o excesso de vidro manualmente.
    2. Lave os substratos de vidro lapidado, usando um detergente em um banho ultra-sônico de 35 kHz de 30 min. Enxague com água desionizada num banho de ultra-sons durante 10 min. substituir água deionizada água e enxágue os substratos 5 vezes para remover contaminantes (Figura 2B). Explodir a água restante com uma pistola de ar-espanador com cuidado para não tocar o rosto mais amplo dos substratos.
    3. Gotejar soluções de poliimida (plaina de camada de alinhamento na Tabela de materiais) para o lado de ITO-revestido dos substratos lavados e rotação-casaco as soluções a 5000 rpm por 30 s (Figura 2). Asse os substratos a 200 ° C, durante 1 h remover o solvente e curar os filmes finos de poliimida.
    4. Coloque os substratos em um palco XZ para que lado ITO e poliimida-revestido de substratos virada para cima. Coloque os substratos sob um rolo coberto com um pano de veludo e fixar os substratos por ar de sucção (Figura 2D). Aplica uma pressão uniforme e suave sobre os substratos com o rolo, ajustando a altura do palco.
      Nota: Aqui, o palco XZ foi feito por uma oficina mecânica na Universidade de Osaka.
    5. Gire o rolo e mover o palco e para trás sob o rolo 5 vezes ao longo da direção horizontal para esfregar os substratos pelo pano de veludo. Mergulhe os substratos friccionados álcool isopropílico em um recipiente de vidro de 10-50 mL por 1 min remover contaminantes e secá-las a 80 ° C por alguns minutos.
    6. Os dois substratos juntamente com 12 μm filmes de resina plana de espessura da colagem como espaçadores. Note que pontos adesivos são colocados somente na borda de substratos e os lados internos de substratos colados são revestidos com o ITO e poliimida. Certifique-se que os substratos opostos tem sido esfregados antiparalelo e são ligeiramente deslocados (cerca de 2 mm) para fornecer suficiente espaços para terminais eléctricos em ambos os substratos (Figura 2E).
    7. Cola os fios condutores nos espaços acima mencionados para terminais usando prateado conduzindo colar (Figura 2F). Asse os substratos com fios condutores a 150 ° C, durante 1 h remover o solvente na pasta condutiva de prata.
  2. Determinação do intervalo de célula 19
    1. Irradiar as células em branco preparadas em 1.1.7 com luz branca, propagando normal para seu rosto mais largo. Medir os espectros de transmissão usando um espectrômetro ótico e observar a oscilação pseudo sinusoidal (Figura 3), que aparece devido ao efeito de Fabry-Pérot20.
    2. Estimar a lacuna de célula d usando a relação d = λ1λ22 (λ2-λ1), onde os comprimentos de onda λ1 e λ 2 denotar um par de pico-wavelengths adjacentes em espectros de transmissão.

2. preparação da mistura de cristal líquido e introdução às células

  1. Misture dois compostos, 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) pirimidina (composto 1: Figura 4A) e (pirimidina S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) fenil] (composto 2: Figura 4B) com uma massa proporção de 3:1 em um frasco de vidro. Prepare 100 mg da solução total (75 mg de compostos 1 e 25 mg de composto 2).
  2. Colocar a célula em branco preparada da etapa 1.1.7 num palco quente, mantendo a temperatura a 80 ° C, temperatura na qual a mistura de 2.1 está na fase líquida isotrópica (Figura 5). Introduza a mistura da etapa 2.1 dentro da célula, usando uma espátula e ação capilar. Manter a temperatura da célula a 80 ° C por 30 min e, em seguida, esfriar a temperatura ambiente a uma taxa de cerca de 5 ° C/min.

3. Caracterização da amostra

  1. Lugar uma célula preenchido com a mistura da etapa 2.2 em uma cena quente entre dois polarizadores cruzados e a irradiação com luz. Observar as texturas da mistura com a mudança de temperatura da temperatura de 80 ° C, a uma taxa de 5 ° C/min, usando um microscópio (e um filtro de passa-curto com ajuste de escala de ~ 600 nm para melhorar a visibilidade, conforme necessário) e identificar as fases de cristal líquido de polarização micrografias21 (Figura 6).
  2. Determine as temperaturas fase de transição sequência e transição de texturas observadas (Figura 5). Para a fase de SmC *, estime o passo helicoidal como o dobro da largura de faixa.
  3. Confirmar as temperaturas de transição de fase de primeira ordem da mistura preparada em 2.1 por análise térmica diferencial (DTA; ver Tabela de materiais e as instruções do fabricante), que fornece uma anomalia de pico (ou mergulho) em uma fase de primeira ordem transição (Figura 7).

4. dielétricas e Magnetoelectric as medidas

  1. Preparar um ímã supercondutor comercial (ver Tabela de materiais) equipados com controladores de temperatura (2-400 K) e campo magnético (até 9 T).
  2. Preparar uma inserção caseira para o ímã, que consiste de três partes principais: espaço amostral, uma haste incluindo quatro cabos coaxiais e um conector terminal (Figura 8A).
  3. Cola a célula preparada no ponto 2.2 do espaço de amostra da inserção (Figura 8B). Ligue os dois fios condutores da célula aos terminais (alta e baixa) do espaço de amostra por solda. Certifique-se da orientação celular a fim de aplicar um campo magnético em paralelo a direção os substratos da célula. Coloque um termómetro no avião mais amplo da célula a fim de medir a temperatura da amostra com precisão e introduzir a inserir o ímã.
  4. Ligue os terminais do conector de um medidor LCR (ver Tabela de materiais) com cabos coaxiais. Medir a constante dielétrica em função da temperatura e campo magnético por meio de quase quatro métodos de terminais com o medidor LCR (ver indicações do fabricante e nossa anterior trabalho16).
  5. Ligue os terminais do conector de um eletrômetro (ver Tabela de materiais) com cabos coaxiais. Medir a dependência de campo magnético e a temperatura da corrente de deslocamento com o eletrômetro enquanto varrer um campo magnético e a temperatura em uma taxa constante (1,0 T/min. para varrer campo magnético e 5 K/min. para varrer temperatura; ver as instruções do fabricante e nossa anterior trabalho16). Obter polarização elétrica, integrando o deslocamento atual em função do tempo.

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Resultados

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O protocolo é considerado um sucesso somente se o ME efeito em amostras de cristal líquido é observada. Aqui, Nós medimos o direto ME efeito em uma amostra de cristal líquido, preparada pelos procedimentos acima mencionados. Para as medições, aplicou-se um campo magnético de no plano com o ângulo inclinado por cerca de 45° a partir da direção de atrito (normal para camadas de esmates), porque esta configuração16, foi detectada a polarização magnética induzida a cam...

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Discussão

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Os resultados experimentais mostraram que os métodos descritos aqui com sucesso demonstraram o ME acoplamento no cristal líquido. Observado ME e efeitos magneto-dielétrico podem ser associados a transição como orientação de orientação molecular em uma estrutura de camada de esmates fixo. No entanto, a camada normal sentido n0 na estrutura de camada pode ser também alterado aplicando um campo magnético através de anisotropia magnética. Isso ocorre porque as moléculas preferem ter um ar...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Agradecemos sua ajuda Prof Takanishi na nossa experiência. Agradecemos também DIC Corporation para fornecer os compostos estudados aqui. Este trabalho foi financiado por subsídio para o companheiro JSPS (16J02711), número de concessão de KAKENHI JSPS 17H 01143 e o programa para principais escolas de pós-graduação "Programa interativo materiais cadete".

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Material
Composto 1: Figura 4(A)DIC Co., Ltd.– N/APYP-8O8
Composto 2: Figura 4(B)DIC Co., Ltd.N/APYP-10O10F
Substratos de vidro revestidos com ITOSigma-Aldrich Inc.703192-10PK
DetergenteWako Pure Chemical Industries, Ltd.031-10401
Plaina de camada de alinhamentoJSR Co., Ltd.AL1254
EspaçadorTeijin Film Solutions Co., Ltd.Q51-12
ColaHuntsman Inc.ARALDITE RT30Para colar dois substratos
ColaM& I Materiais Ltda.Apiezon H GraxaPara colar uma célula e inserção caseira
Pasta de prataFujikura Kasei Co., Ltd.D-753
Equipment
Ultrasonic cleanerAS ONE Corp.
Revestidor de rotaçãoMikasa Co. Ltd.1H-D7
Microscópio óptico polarizadoNikon Co., Ltd.ECLIPSE LV100N POL
Filtro passa-curtoThorlabs Inc.FB600-40
Ocean Optics Inc.USB2000+UV-VIS
Analisador térmico diferencialRigaku Co., Ltd.Thermo plus EVO2
Quantum Design Inc.Medidor LCR PPMS
Keysight Technologies Ltd.E4980A
EletrômetroKeithley Instruments Inc.6517UMA
AS52GTUEspectrômetro óptico Ímã supercondutor

Referências

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