Методическая статья

Измерения в жидких кристаллов сегнетоэлектриков поляризации, магнитно настроенный

DOI:

10.3791/58018

⸱

15 августа 2018 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В настоящем докладе мы представляем протокол для изучения прямых магнитоэлектрическим эффекты, т.е., индукции сегнетоэлектриков поляризации, применяя магнитные поля, в жидких кристаллов. Этот протокол обеспечивает уникальный подход, поддерживаемых мягкость жидких кристаллов, чтобы достичь комнатной температуры magnetoelectrics.

Аннотация

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

Материалы, показаны явления сцепления между (Ферро) электричество и магнетизм, т.е., магнитоэлектрическим эффекты, привлекли большое внимание из-за их потенциального применения технологий будущих устройств, таких как датчики и хранения. Однако, традиционные подходы, которые обычно используют материалы, содержащие магнитные ионов металлов (или радикалов), есть серьезная проблема: только несколько материалы были найдены показать связь явлений при комнатной температуре. Недавно мы предложили новый подход к достижению комнатной температуре magnetoelectrics. В отличие от традиционных подходов наши альтернативное предложение фокусируется на совершенно другой материал, «жидкий кристалл», свободной от магнитных ионов металлов. В таких жидких кристаллов магнитное поле может использоваться для управления состоянием ориентационного составных молекул и соответствующей электрической поляризации через магнитной анизотропии молекул; Это беспрецедентный механизм магнитоэлектрическим эффекта. В этом контексте этот документ обеспечивает протокол для измерения сегнетоэлектрические свойства под воздействием магнитного поля, то есть прямой магнитоэлектрическим эффект, в жидких кристаллов. С методом, описанных здесь мы успешно обнаружен магнитно настроенный электрическая поляризация в фазе хиральная smectic C жидкого кристалла при комнатной температуре. Наряду с гибкостью составных молекул, который непосредственно затрагивает магнитоэлектрическим ответы, введен метод будет служить чтобы жидкий кристалл клетки, чтобы приобрести больше функций как комнатной температуре magnetoelectrics и связанного оптические материалы.

Введение

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

Исследования на магнитоэлектрическим (меня) эффект, индукционная электрическая поляризация (намагниченности) магнитного поля (электрический), была сосредоточена на роман типы приложений, таких как датчики и технологии хранения. С недавнего исследования на меня Мультиферроики1,2,3,4, целевых систем в области меня исследование распространяются на различные типы твердотельных материалов, в том числе неорганических, органических, и металл органических структур, используя спин решетка муфты ловко5,6,,78,9. Однако температура операция, которая должна быть выполнена для практического использования меня материалы с их ME муфты, по-прежнему является сложным вопросом, и очень ограниченное количество однофазных материалы были зарегистрированы как комнатной температуры magnetoelectrics на сегодняшний день10.

Жидкие кристаллы, которые обладают ориентационного заказ, иногда с частичной позиционные один, также были изучены в отношении меня материалы в последние годы11,12,13,14, 15. одним из преимуществ жидких кристаллов, как мне материалов является их температура эксплуатации, как жидкокристаллические фазы обычно стабилизировалась около комнатной температуре. Пример мне жидких кристаллов сообщили пока является составной между магнитных нано тромбоцитов с перпендикулярной магнитной анизотропии и жидких кристаллов, показаны нематические этап, известный как этапа простейших жидкокристаллических обладая только одномерный ориентационного порядка15. Он показывает мне эффект, Конверс индукции намагниченности от электрического поля, через электрическое поле манипуляции спаренных тромбоцитов и молекулярной ориентации.

Совсем недавно, еще одна уникальная стратегия учредить ME эффект в жидких кристаллах была предлагаемая16. Суть этой стратегии заключается в создании хиральная smectic фаза C (SmC *) с одномерный позиционные порядка, что приводит к рассеянным слоя структура под названием smectic слой. Одной из характерных особенностей этапа SmC является, что молекулярной ориентации вектора n сочетается с местной Электрический дипольный момент p. Эта связь обеспечивается сочетание наклонена ориентации стержня как составных молекул smectic слой нормального n0 и хиральности индуцированной зеркало (и инверсии) симметрии в молекулах. С точки зрения симметрии, бывший сменяется симметрии от D∞h (так называемый этап SmA, рис. 1A) C2h (так называемый SmC фаза, рис. 1B) и Последний ломает зеркальной симметрии C2h , так что симметрии уменьшается в2 C(SmC * фазы, смотреть каждый слой в Рисунок 1 c). В каждом SmC * слое допускается наличие конечных поляризации вдоль оси2 C, который является нормальным n0 и n. Сильная связь между n и p имеет важное значение для Сегнетоэлектричество в жидких кристаллов. В SmC * фазы n выравнивает спиралевидные образом через слой за слоем (рис. 1 c), и таким образом нет никакого макроскопических поляризации. Сегнетоэлектричество в таких жидких кристаллов достигается с помощью сильного поверхности эффекты, которые стабилизировать состояние однородно ориентированной n известен как поверхность стабилизированный сегнетоэлектрических жидких кристаллов (SSFLC) государство (рис. 1 d). Следует отметить, что сегнетоэлектриков поляризации разворота всегда сопровождает переключения бистабильный ориентации государств через связь между n и p-17. Как обратный эффект изменение молекулярной ориентации этапа SmC, как ожидается, привести к изменению в электрической поляризации. Благодаря магнитной анизотропии, вызванные спинов на магнитные элементы и/или ароматических колец в молекулы жидких кристаллов и гибкость n в-жидкокристаллический состоянии из-за слабых молекулярных взаимодействий, чем в состоянии твердый кристалл n — также перестраиваемый с помощью магнитного поля. Таким образом этапа SmC может трансформироваться в магнитные поле индуцированной однородно ориентированной состояние похоже на состояние SSFLC. Таким образом мне эффект, прямой индукции электрической поляризацией магнитным полем, достигается как развитие макроскопических электрическая поляризация индуцируется однородной выравнивание n в сочетании с p, во всех слоях.

Мы ввести процедуры для подготовки жидкий кристалл клетки для расследования меня муфты и методологий для выявления ME эффект. Метод для подготовки жидкого кристалла клеток было сообщено в ранее подробно18. Здесь мы изменили этот метод для меня и диэлектрических измерений. С методом, описанных здесь мы обнаружили магнитно настроенный электрической поляризации, то есть, мне эффект, прямой в жидкий кристалл, показаны стадии SmC при комнатной температуре.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка жидкокристаллические клеток и определение разрыва ячейки

  1. Подготовка клетки жидкокристаллический
    1. Вырезать стеклянные подложки, покрытые Индий/Оксидно оловянные (ИТО) на одной стороне в желаемый размер (типичный размер: 10 x 10 x 1.1 мм, рис. 2A). Чтобы вырезать подложек, скретч линии на их лице с стеклорез и разорвать излишки стекла вручную.
    2. Мыть, хрусталя субстратов с помощью моющего средства в ультразвуковой ванне на 35 кГц для 30 минут промойте их с дейонизированной водой в ультразвуковой ванне для 10 min. заменить деионизированной воды и промойте субстрата 5 раз для удаления загрязнений (Рисунок 2Б). Сдуть оставшуюся воду с воздуха тряпкой пистолет с осторожностью, чтобы не коснуться широкого лица субстратов.
    3. Стекать полиимида решения (выравнивание слоя рубанка в Таблице материалов) на стороне Ито покрытием промывают субстратов и спин пальто решения при 5000 об/мин за 30 s (рис. 2 c). Выпекать субстратов на 200 ° C за 1 ч до удаления растворителя и лечения тонких пленок полиимида.
    4. Положите подложек на сцене XZ так что Ито покрытием и полиимидные сторона субстратов обращена вверх. Место подложек под ролик покрыт бархатные ткани и исправить, субстраты, воздуха, аспирации (Рисунок 2D). Приложите равномерное и мягкое давление на подложки с роликом, регулируя высоту этапа.
      Примечание: Здесь, на стадии XZ выступил цеха в университете Осаки.
    5. Постепенно поворачивайте валик и переместить сцену и обратно под ролик 5 раз вдоль по горизонтали руб субстратов бархатной тканью. Окунуть потер субстратов в изопропиловый спирт в стеклянной посуде 10 – 50 мл на 1 мин для удаления загрязнений и высушите их при 80 ° C на несколько минут.
    6. Клей двух подложек вместе с 12 мкм толщина плоский смолы фильмов как распорки. Обратите внимание, что клей точки размещаются только на краю субстратов и внутренней стороны клееный субстратов покрыты Ито и водоплавающих. Убедитесь, что напротив субстратов были потер внешних и слегка сдвинуты (около 2 мм) для обеспечения достаточно пространства для электрических терминалов на обоих субстратов (Рисунок 2E).
    7. Клей проведения проводов на вышеупомянутых пробелов для терминалов с использованием серебра проведения пасты (Рисунок 2F). Выпекать субстратов с проводящих проводов при 150 ° C за 1 ч до удаления растворителя в серебряные проводящих пасты.
  2. Определение ячеек разрыва 19
    1. Облучить пустые ячейки, подготовленный в 1.1.7 с белым светом, пропагандирующих нормальной в их широком лице. Измерение спектров передачи, используя оптический спектрометр и наблюдать псевдо-синусоидальных колебаний (рис. 3), который появляется из-за эффекта Фабри-Pérot20.
    2. Оценить разрыва ячейки d с помощью отношения d = λ1λ2/2 (λ2-λ1), где волны λ1 и λ 2 обозначения пару смежных пик-волн в спектрах передачи.

2. Подготовка смеси жидких кристаллов и введение в клетки

  1. Смешать два соединения, пиримидинов 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) (соединение 1: Рисунок 4A) и (S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) фенил] пиримидинов (соединения 2: Рисунок 4B) с массового соотношении 3:1 в стеклянный флакон. Подготовка 100 мг раствора в общей сложности (75 мг смеси 1 и 25 мг смеси 2).
  2. Положите подготовленные пустую ячейку из шага 1.1.7 на горячей сцене, сохраняя температуру при 80 ° C, температура в котором смесь от 2.1 находится в изотропной жидкой фазы (рис. 5). Ввести смесь из шага 2.1 в ячейку с помощью шпателя и капиллярных действий. Поддерживать температуру клеток при 80 ° C за 30 минут, а затем охладить до комнатной температуры со скоростью около 5 ° C/мин.

3. образец характеристика

  1. Место ячейки заполнены смесью из шага 2.2 на горячей сцене между двумя скрещенными поляризаторами и излучают свет. Соблюдать текстур в смеси с изменением температуры от комнатной температуры до 80 ° C со скоростью до 5 ° C/мин с помощью микроскопа (и короткие pass фильтр с диапазон ~ 600 Нм для повышения видимости, при необходимости) и определить-жидкокристаллический фазы от микроскопии поляризации21 (рис. 6).
  2. Определите фазу перехода последовательности и переход температур от наблюдаемых текстур (рис. 5). Для SmC * фазы оценивают спиралевидные шаг как двойной ширины полосы.
  3. Подтвердить фаза первого порядка перехода температуры смеси, подготовленный в 2.1 Дифференциальный термический анализ (ДТА; см Таблицу материалы и инструкции производителя), которая обеспечивает пик (или dip) аномалия на этапе первого порядка Переход (рис. 7).

4. диэлектрических и магнитоэлектрическим измерения

  1. Подготовка коммерческих сверхпроводящего магнита (см. Таблицу материалы) оснащены контроллеры температуры (2-400 K) и магнитного поля (до 9 Т).
  2. Подготовить домашнее вставки для сверхпроводящий магнит, который состоит из трех основных частей: пример пространства, стержень, включая четыре коаксиальный кабель и разъем терминала (рис. 8A).
  3. Клей клеток, подготовленный в 2.2 на пример пространства вставки (Рисунок 8B). Подключите два проводящих проводов клетки к клеммам (высокая и низкая) образца пространства путем пайки. Убедитесь в том, ориентации клетки с тем чтобы применить магнитного поля в направлении параллельно на поверхности клетки. Поместите термометр в плоскости широкой ячейки для того, чтобы точно измерить температуру образца и внедрить insert в сверхпроводящий магнит.
  4. Подключите разъем терминалов к счётчикам LCR (см. Таблицу материалы) с коаксиальных кабелей. Измерьте диэлектрическая константа как функция температуры и магнитного поля методами квази четыре терминала с Непрерывной метр (см с инструкциями производителя и наши предыдущие работы16).
  5. Подключите разъем терминалов к электрометр (см. Таблицу материалы) с коаксиальных кабелей. Измерения магнитного поля и температурной зависимости ток смещения с электрометр во время радикальных магнитного поля и температуры с постоянной скоростью (1,0 Т/мин для радикальных магнитного поля и 5 K/мин для радикальных температуры; см. инструкции производителя и наши предыдущие работы16). Получение электрической поляризации путем интеграции перемещение текущей как функция времени.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Протокол считается успешным, только если ME эффект в образцах, жидкий кристалл наблюдается. Здесь мы измерили прямой меня эффект в образец жидкокристаллического, подготовленный вышеупомянутой процедуры. Для измерений с углом наклона около 45 ° от направления растирание (нормальный smectic слои), потому что крупнейший магнитные поле индуцированной поляризации был обнаружен в этой конфигурации16был применен в плоскости магнитного поля.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Результаты экспериментов показали, что методы, описанные здесь успешно продемонстрировала ME муфты на жидких кристаллах. Наблюдаемые меня и магнито диэлектрические эффекты могут быть связаны с ориентационного переходом молекулярной ориентации в структуре слоя фиксированной smectic. Однако слой нормальное направление n0 в структуре слоя может также изменено путем применения магнитного поля через магнитной анизотропии. Это потому, что молекулы предпочитают иметь механизм параллельных

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Мы благодарим профессора Takanishi за его помощь в нашем эксперименте. Мы также благодарим DIC корпорации для обеспечения соединений учился здесь. Эта работа была поддержана субсидий для страниц JSP парень (16J02711), номер гранта KAKENHI JSP-страницы 17H 01143 и программы для ведущих выпускник школы «Интерактивные материалы Кадетская программа».

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
<прочный>материал
соединение 1: Рисунок 4(A)DIC Co., Ltd.– Н/ДPYP-8O8
Соединение 2: Рисунок 4(B)DIC Co., Ltd.Н/ДPYP-10O10F
Стеклянные подложки с покрытием ITOSigma-Aldrich Inc.703192-10PK
Моющее средствоWako Pure Chemical Industries, Ltd.031-10401
Выравнивающий рустальный станокJSR Co., Ltd.AL1254
СпейсерTeijin Film Solutions Co., Ltd.Q51-12
КлейХантсман Инк.ARALDITE RT30Для склеивания двух оснований
GlueM& ООО «И Материалы»Смазка Apiezon HДля склеивания ячейки и самодельной вставки
Серебряная пастаFujikura Kasei Co., Ltd.D-753
Оборудование
Ультразвуковой очистительAS ONE Corp.
Прядильная машинаMikasa Co. Ltd.1H-D7
Поляризованный оптический микроскопNikon Co., Ltd.ECLIPSE LV100N POL
Фильтр короткого проходаThorlabs Inc.FB600-40
Оптический спектрометрOcean Optics Inc.USB2000+УФ-ВИД
дифференциальный термический анализаторRigaku Co., Ltd.Сверхпроводящий магнит Thermo plus EVO2
Quantum Design Inc.Измеритель PPMS
LCRKeysight Technologies Ltd.E4980A
ЭлектрометрKeithley Instruments Inc.6517А
AS52GTU

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Eerenstein, W., Mathur, N. D., Scott, J. F. Multiferroic and magnetoelectric materials. Nature. 442, 759-765 (2006).
  2. Cheong, S. -W., Mostovoy, M. Multiferroics: A magnetic twist for ferroelectricity. Nature Materials. 6, 13-20 (2007).
  3. Tokura, Y., Seki, S., Nagaosa, N. Multiferroics of spin origin. Reports on Progress in Physics. 77, 076501(2014).
  4. Fiebig, M., Lottermoser, T., Meier, D., Trassin, M. The evolution of multiferroics. Nature Reviews Materials. 1, 16046(2016).
  5. Kagawa, F., Horiuchi, S., Tokunaga, M., Fujioka, M., Tokura, Y. Ferroelectricity in a one-dimensional organic quantum magnet. Nature Physics. 6, 169-172 (2010).
  6. Stroppa, A., et al. Electric Control of magnetization and interplay between orbital ordering and ferroelectricity in a multiferroic metal-organic framework. Angewandte Chemie International Edition. 50, 5847-5850 (2011).
  7. Wang, W., et al. Magnetoelectric coupling in the paramagnetic state of a metal-organic framework. Science Reports. 3, 2024(2011).
  8. Gómez-Aguirre, L. C., et al. Magnetic ordering-induced multiferroic behavior in [CH3NH3][Co(HCOO)3] metal-organic framework. Journal of the American Chemical Society. 138, 1122-1125 (2016).
  9. Qin, W., Xu, B., Ren, S. An organic approach for nanostructured multiferroics. Nanoscale. 7, 9122-9132 (2015).
  10. Scott, J. F. Room-temperature multiferroic magnetoelectrics. NPG Asia Materials. 5, e72(2013).
  11. Suzuki, K., et al. Influence of applied electric fields on the positive magneto-LC effects observed in the ferroelectric liquid crystalline phase of a chiral nitroxide radical compound. Soft Matter. 9, 4687-4692 (2013).
  12. Domracheva, N. E., Ovchinnikov, I. V., Turanov, A. N., Konstantinov, V. N. EPR detection of presumable magnetoelectric interactions in the liquid-crystalline state of an iron mesogen. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 269, 385-392 (2004).
  13. Tomašovičová, N., et al. Capacitance changes in ferronematic liquid crystals induced by low magnetic fields. Phys. Rev. E. 87, 014501(2013).
  14. Lin, T. -J., Chen, C. -C., Lee, W., Cheng, S., Chen, Y. -F. Electrical manipulation of magnetic anisotropy in the composite of liquid crystals and ferromagnetic nanorods. Applied Physics Letters. 93, 013108(2008).
  15. Mertelj, A., Osterman, N., Lisjak, D., Čopič, M. Magneto-optic and converse magnetoelectric effects in a ferromagnetic liquid crystal. Soft Matter. 10, 9065-9072 (2014).
  16. Ueda, H., Akita, T., Uchida, Y., Kimura, T. Room-temperature magnetoelectric effect in a chiral smectic liquid crystal. Applied Physics Letters. 111, 262901(2017).
  17. Clark, N. A., Lagerwall, S. T. Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquid crystals. Applied Physics Letters. 36, 899-901 (1980).
  18. Vantomme, G., Gelebart, A. H., Broer, D. J., Meijer, E. W. Preparation of liquid crystal networks for macroscopic oscillatory motion induced by light. Journal of Visualized Experiments. (127), e56266(2017).
  19. Yang, K. H. Measurements of empty cell gap for liquid-crystal displays using interferometric methods. Journal of Applied Physics. 64 (9), 4780-4781 (1988).
  20. Born, M., Wolf, E. Principles of Optics. , 6th ed, Pergamon. New York. (1987).
  21. Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
  22. Filipič, C., et al. Dielectric properties near the smectic-C* -smectic-A phase transition of some ferroelectric liquid-crystalline systems with a very large spontaneous polarization. Physics Review A. 38, 5833-5839 (1988).
  23. Carlsson, T., Žekš, B., Filipič, C., Levstik, A. Theoretical model of the frequency and temperature dependence of the complex dielectric constant of ferroelectric liquid crystals near the smectic-C* -smectic-A phase transition. Physics Review A. 42, 877-889 (1990).
  24. Michelson, A. Physical realization of a Lifshitz point in liquid crystals. Physical Review Letters. 39, 464(1977).
  25. Muševič, I., Žekš, B., Blinc, R., Rasing, T., Wyder, P. Phase diagram of a ferroelectric chiral smectic liquid crystal near the Lifshitz point. Physical Review Letters. 48, 192(1982).
  26. Muševič, I., Žekš, B., Blinc, R., Rasing, T., Wyder, P. Dielectric study of the modulated smectic C*-uniform smectic C transition in a magnetic field. Physica Status Solidi(b). 119, 727-733 (1983).
  27. Blinc, R., Muševič, I., Žekš, B., Seppen, A. Ferroelectric liquid crystals in a static magnetic field. Physica Scripta. 35, 38-43 (1991).
  28. Blinov, L. M. Electrooptical and Magnetooptical Properties of Liquid Crystals. , Wiley-Interscience. (1983).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

C

Похожие статьи