Summary
בדו ח זה, אנו מציגים פרוטוקול לבחון תופעות magnetoelectric ישירה, כלומר, אינדוקציה של קיטוב ferroelectric על-ידי החלת שדות מגנטיים, גבישי נוזלי. פרוטוקול זה מספק גישה ייחודית, נתמך על ידי הרכות של גביש נוזלי, כדי להשיג magnetoelectrics בטמפרטורת החדר.
Abstract
חומרים מציג תופעות צימוד בין מגנטיות וחשמל (פרו), דהיינו, אפקטים magnetoelectric, משכו הרבה מאוד תשומת לב בשל שלהם יישומים אפשריים עבור ההתקן בעתיד טכנולוגיות כגון חיישנים ואמצעי האחסון. עם זאת, גישות קונבנציונליות, אשר בדרך כלל משתמשות בחומרים המכילים יונים מתכתיים מגנטי (או רדיקלים), יש בעיה רצינית: נמצאו רק כמה חומרים כדי להראות את התופעות צימוד בטמפרטורת החדר. לאחרונה, אנחנו הציע גישה חדשה כדי להשיג magnetoelectrics בטמפרטורת החדר. בניגוד גישות קונבנציונליות, את ההצעה החלופית שלנו מתמקד חומר שונה לחלוטין, "גביש נוזלי", ללא יונים מתכתיים מגנטי. גבישי נוזלי כזה, שדה מגנטי יכול להיות מנוצל כדי לשלוט המדינה orientational של מולקולות המרכיבים אותה, קיטוב חשמלי המתאים דרך מגנטי. בנוגע למקורו של המולקולות; זה מנגנון חסר תקדים של האפקט magnetoelectric. בהקשר זה, מאמר זה מספק פרוטוקול למדוד מאפיינים ferroelectric המושרה על ידי שדה מגנטי, כלומר, magnetoelectric השפעה ישירה, בתוך גביש נוזלי. בשיטת מפורטות כאן, בהצלחה שהבחנו דיסקות, מכוון קיטוב חשמלי בשלב כיראלי smectic C של גביש נוזלי בטמפרטורת החדר. נלקח יחד עם הגמישות של מולקולות המרכיבים אותה, המשפיע ישירות על התגובות magnetoelectric, שיטת הציג ישמש כדי לאפשר גביש נוזלי תאים לרכוש פונקציות נוספות כמו magnetoelectrics בטמפרטורת החדר, הקשורים חומרים אופטיים.
Introduction
מחקר על magnetoelectric (לי) אפקט, תנאי הגיוס של קיטוב חשמלי (מגנוט) על-ידי שדה מגנטי (חשמלי), התמקדה כלפי סוגי יישומים כגון חיישני טכנולוגיות אחסון חדשניים. עם האחרונות מחקרים על לי multiferroics1,2,3,4, מערכת היעד בתחום לי מחקר מורחבות לסוגים שונים של חומרים של מצב מוצק, כולל אי-אורגנית, אורגני, ו מסגרות מתכת-אורגנית, על ידי ניצול ספין-סריג זיווגים הזריזות5,6,7,8,9. עם זאת, המבצע בטמפרטורת החדר, אשר חייב להתבצע על ניצול מעשי של לי חומרים עם הפתולוג המצמדים, הוא עדיין נושא מאתגר ולאחר מספר מוגבל מאוד של חומרים חד-פאזי דווחו גם בטמפרטורת החדר magnetoelectrics עד היום10.
גביש נוזלי, אשר מחזיקים פקודה orientational, לפעמים עם אחד לפי מיקום חלקית, נבדקו גם ביחס לי חומרים בשנים האחרונות11,12,13,14, 15. אחד היתרונות של גביש נוזלי כמוני חומרים הוא טמפרטורת הפעולה שלהם, כמו גביש נוזלי שלבים בדרך כלל התייצבו סביב בטמפרטורת החדר. דוגמא ממני גביש נוזלי שדווחו עד כה הוא שילוב בין ננו-טסיות מגנטי עם חיזקו מגנטי בניצב בגבישים נוזליים מציג שלב nematic, המכונה השלב גביש נוזלי הפשוטה השתלט רק חד-ממדי סדר orientational15. זה מראה היפוכה לי השפעה, אינדוקציה של מגנטיזציה על ידי שדה חשמלי, באמצעות מניפולציה שדה חשמלי של טסיות בשילוב וכיוונים מולקולרית.
יותר לאחרונה, אסטרטגיה ייחודי נוסף כדי לקבוע מה השפעה של גביש נוזלי היה המוצע16. המוקד של אסטרטגיה זו היא ליצור שלב C (SmC *) smectic כיראלי עם סדר לפי מיקום חד-ממדי, וכתוצאה מכך מבנה שכבה כשמאירים בשם השכבה smectic. מאפיין אחד של שלב SmC * הוא וקטור כיוון מולקולרית של n זה משולב עם מומנט דיפול חשמלי מקומי p. המתאם הזה מסופק על ידי השילוב של מוטה אוריינטציית המולקולות המרכיבים אותה כמו רוד את smectic שכבה רגילה n0 , כיראליות-induced ראי (והיפוך) הסימטריה לשבור המולקולות. מנקודת מבט של סימטריות, לשעבר משנה את הסימטריה של D∞h (מה שנקרא SmA שלב, איור 1A) לתוך C2h (מה שנקרא SmC שלב, איור 1B), ו האחרון שובר את הסימטריה מראה של2 Ch כך הסימטריה מצטמצם לתוך C2 (SmC * השלב, ראה כל שכבה ב איור 1C). בכל SmC * שכבה, הנוכחות של קיטוב סופיים מותר לאורך ציר2 C, תופעה נורמלית כדי n0 ו- n. צימוד חזק בין n ו- p חיונית ferroelectricity גבישי נוזלי. בשלב SmC *, n יישור באופן סליליים דרך שכבה אחרי שכבה (איור 1C), לכן יש קיטוב מאקרוסקופית. אין. Ferroelectricity גבישי נוזלי כזה מושגת על ידי שימוש באפקטים משטח חזק, אשר לייצב את המדינה homogeneously אוריינטציה של n הידועה כמדינה מיוצב משטח ferroelectric גביש נוזלי (SSFLC) (איור 1D). יצוין, כי היפוך קיטוב ferroelectric תמיד מלווה של מיתוג של הברית bi יציב כיוון דרך צימוד בין n ו- p17. כמו האפקט ההפוך, צפוי שינוי אוריינטציה המולקולרית של שלב SmC * להצמיח שינוי קיטוב חשמלי. דרך חיזקו מגנטי הנגרמת על ידי ספינים מגנטי רכיבים ו/או הארומטיות מולקולות גביש נוזלי, הגמישות של n במצב גביש נוזלי בגלל אינטראקציות מולקולריים חלשים יותר מאשר במצב גביש מוצק, n הוא גם tunable על-ידי שדה מגנטי. לכן, השלב SmC * יכול להיהפך למצב מגנטי-שדה-induced homogeneously בכיוון דומה למצב SSFLC. לכן, ישיר לי השפעה, אינדוקציה של קיטוב חשמלי על ידי שדה מגנטי, מושגת גם הפיתוח של קיטוב חשמלי מאקרוסקופית הנגרמת על ידי יישור הומוגנית של n בשילוב עם p, בכל הרבדים.
אנחנו מציגים את ההליכים כדי להתכונן גביש נוזלי תאים החקירה של לי זיווגים ומתודולוגיות כדי לזהות מה האפקט. שיטה עבור הכנת גביש נוזלי תאים דווח פירוט בעבר18. כאן, אנחנו ששינה בשיטה זו עבורי ועבור דיאלקטרי מדידות. בשיטת מפורטות כאן, אנחנו זוהה דיסקות, מכוון קיטוב חשמלי, כלומר, ישיר לי השפעה, גביש נוזלי מציג שלב SmC * בטמפרטורת החדר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת התאים גביש נוזלי, הקביעה של הפער תא
-
הכנה של תאים גביש נוזלי
- מצעים לחתוך זכוכית מצופה בדיל/אינדיום-אוקסיד (ITO) בצד אחד לתוך לגודל הרצוי (גודל: 10 x 10 x 1.1 מ מ, איור 2A). כדי לגזור את סובסטרטים, קו על הפנים שלהם כלי לחיתוך זכוכית ולהיאחז לשבור זכוכית עודף באופן ידני.
- לשטוף סובסטרטים לחתוך זכוכית באמצעות חומר ניקוי באמבט אולטראסוני-35 קילו-הרץ עבור 30 דקות יש לשטוף אותן במים יונים באמבט אולטראסוני במשך 10 דקות החלפת יונים מים ולשטוף את סובסטרטים 5 פעמים כדי להסיר לכלוך (איור 2B). לפוצץ את יתרת כמות המים עם האוויר-מאבק-אקדח בזהירות לא לגעת, הפנים הרחב ביותר של סובסטרטים
- לטפטף פתרונות פוליאימיד (יישור השכבה פלנר טבלה שלחומרים) הצד מצופים איטו של סובסטרטים שטף, ו ספין-קואט הפתרונות ב 5000 סל ד ל 30 s (איור 2C). אופים את סובסטרטים ב 200 ° C עבור h 1 כדי להסיר הממס ולרפא את פוליאתילמים בעלי רזה.
- לשים את מצעים על במה XZ כך הצד איטו, פוליאימיד-מצופים של סובסטרטים פונה כלפי מעלה. מקם את סובסטרטים תחת מכבש מכוסה עם בד קטיפה, תיקון סובסטרטים על ידי אוויר suctioning (איור דו-ממדי). החל לחץ אחיד ורך על מצעים עם רולר על-ידי התאמת הגובה של הבמה.
הערה: כאן, הבמה XZ נעשתה על ידי חנות מכונות באוניברסיטת אוסקה. - לסובב את רולר ולהעביר את הבמה הלוך ושוב תחת ה roller 5 פעמים לאורך הכיוון האופקי לשפשף את מצעים על ידי בד קטיפה. טבלו את סובסטרטים חתכו אותי. מרחו איזופרופנול במיכל זכוכית 10 – 50 mL עבור 1 דקות להסיר לכלוך, לייבש אותם ב 80 מעלות צלזיוס למשך מספר דקות.
- הדבק את סובסטרטים שני יחד עם בת 12 פרקים שרף שטוחה עובי μm כמו מפרידי. שים לב נקודות דבק ממוקמים רק בקצה של סובסטרטים הצד הפנימי של סובסטרטים מודבק הם מצופים פוליאימיד של איטו. ודא סובסטרטים הנגדי יש כבר שפשף antiparallel יוזזו מעט (בערך 2 מ מ) כדי לספק מספיק רווחים מסופי חשמל לשניכם מצעים (2E איור).
- הדבק את החוטים הניצוח על הרווחים הנ עבור מסופים באמצעות כסף ניצוח הדבק (2F איור). אופים את מצעים עם חוטים מוליכי חשמל ב 150 ° C עבור h 1 כדי להסיר הממיס את הדבק מוליך כסף.
-
קביעת מרווח התא 19
- להאיר את התאים הריקים המבושלות 1.1.7 באור לבן הפצת נורמלי הפנים הרחב שלהם. למדוד את ספקטרום שידור באמצעות ספקטרומטר אופטי של, ולבחון תנודה sinusoidal מדומים (איור 3), אשר מופיעה עקב אפקט פאברי-Pérot20.
- לאמוד את הפער תא d באמצעות היחסים d = λ1λ2/2 (λ2-λ1), שבו אורכי גל λ1 ו λ 2 מציינות זוג סמוכים שיא-אורכי גל ב ספקטרום שידור.
2. הכנת התערובת גביש נוזלי, מבוא לתוך התאים
- לערבב שתי תרכובות, 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) פירימידין (מתחם 1: איור 4A) ו (S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) phenyl] פירימידין (במתחם 2: איור 4B) עם המוני יחס של 3:1 בבקבוקון זכוכית. הכן 100 מ ג של הפתרון סה כ (75 מ ג של מתחם 1 ו- 25 מ"ג של מתחם 2).
- לשים התא הריק מוכן מהשלב 1.1.7 על הבמה חם, שמירה על הטמפרטורה ב 80 ° C, טמפרטורה שבה התערובת מ 2.1 הוא בשלב נוזלי isotropic (איור 5). להציג את התערובת מהשלב 2.1 לתוך התא על-ידי שימוש נימיות, מרית. לשמור על הטמפרטורה בתא 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות, ולאחר מכן להתקרר לטמפרטורת החדר בשיעור של-5 ° C/min.
3. מדגם אפיון
- המקום תא מלא עם התערובת מהשלב 2.2 על הבמה חם בין שני polarizers מצטלבים, להאיר אותו באור. להתבונן טקסטורות של התערובת עם שינוי טמפרטורה מ בטמפרטורת החדר עד 80 ° C בקצב של 5 ° C/דקה באמצעות מיקרוסקופ (ומסנן מעברים קצרים עם כוונון טווח ~ 600 nm כדי לשפר את תצוגת, לפי הצורך), ולזהות גביש נוזלי שלבי מ קיטוב micrographs21 (איור 6).
- לקבוע את שלב המעבר הטמפרטורות רצף ומעבר מן הטקסטורות הנצפה (איור 5). התקן SmC * לשלב, מעריכים המגרש סליליים כמו כפול רוחב פס.
- לאשר את הטמפרטורות מעבר פאזה מסדר ראשון של תערובת המבושלות 2.1 על ידי אנליזה תרמית דיפרנציאלית (DTA; ראה טבלה של חומרים , הוראות היצרן), אשר מספק סטייה שיא (או מטבל)-שלב מסדר ראשון המעבר (איור 7).
4. מבודד, Magnetoelectric מידות
- הכנת מגנט היתכנות מסחרית (ראו טבלה של חומרים) מצוידים עם בקרי טמפרטורה (2-400 K) ושדה מגנטי (עד 9 T).
- להתכונן הוספה תוצרת בית של המגנט מוליך-העל, אשר מורכב משלושה חלקים עיקריים: מרחב המדגם, מוט כולל 4 כבלים קואקסיאליים, מחבר מסוף (איור 8A).
- הדבק את התא מוכן 2.2 על מרחב המדגם של הקדמי (איור 8 ב'). חבר את החוטים מוליך שני של התא המסופים (גבוה ונמוך) של מרחב המדגם על ידי הלחמה. ודא כיוון תא כדי להחיל שדה מגנטי במקביל הכיוון סובסטרטים של התא. במקום מד חום על המטוס הרחב ביותר של התא על מנת למדוד את הטמפרטורה מדגם במדויק, להציג את תותב לתוך המגנט מוליך-העל.
- להתחבר המסופים connecter מד LCR (ראה טבלה של חומרים) עם כבלים קואקסיאליים. למדוד את קבוע דיאלקטרי כפונקציה של הטמפרטורה ושדה מגנטי באמצעות ומעין ארבע שיטות מסוף עם מד LCR (הוראות היצרן רואה ואת העבודה הקודמת שלנו16).
- להתחבר המסופים connecter אלקטרומטר (ראה טבלה של חומרים) עם כבלים קואקסיאליים. למדוד את התלות השדה המגנטי והטמפרטורה של חשמל סטטי עם אלקטרומטר תוך גורף של השדה המגנטי והטמפרטורה בקצב קבוע (T/min 1.0 עבור השדה המגנטי גורף ו- 5 K/min עבור גורף טמפרטורת; ראה הוראות היצרן ואת העבודה הקודמת שלנו16). לקבל קיטוב חשמלי על-ידי שילוב המנוע הנוכחי כפונקציה של הזמן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הפרוטוקול נחשבת הצלחה רק אם הרופא אפקט בדגימות גביש נוזלי נצפית. כאן אנחנו נמדדים ישיר לי השפעה במדגם גביש נוזלי שהוכנו על ידי ההליכים האמורים. המדידות, שדה מגנטי בתוך המטוס היה מוחל עם הזווית מוטה על ידי כ 45° מהכיוון שפשוף (נורמלי לשכבות smectic), כי קיטוב מגנטי-שדה-induced הגדול זוהה בתצורה זו16.
איור 9 א מציג את פרופילי טמפרטורה של קיטוב חשמלי. בשלב SmA *, קיטוב חשמלי לא מתפתח עם או בלי שדה מגנטי, כלומר השלב SmA * הוא לא magnetoelectric. תוצאה זו מבואר היטב על ידי איזוטרופיות במישור מאונך לציר העיקרי, תופעה נורמלית אל הרבדים smectic, של SmA * שלב עם נקודת קבוצה D∞ (שקול סימטריה השיקוף שבירת מ D∞h השלב SmA). בשלב SmC *, מצד שני, קיטוב סופיים מתפתח על-ידי החלת שדות מגנטיים. תוצאה זו ממחישה להם ME צימוד בשלב SmC * של הגביש הנוזלי ומציעה את השינוי במצב אוריינטציה המולקולרית מהמדינה סליליים פשוט שבו מבטל הסכום של p בשכבות המתאימות.
בניגוד הפיתוח של קיטוב חשמלי, שיפור האופיינית של קבוע דיאלקטרי בשלב SmC * הוא ודוכאה על-ידי שדה מגנטי (איור 9B). השיפור ב- SmC * המיוחס את מצב גולדסטון כביכול, הידוע בשם מצב אופייני ב- SmC * שלב22,23. במצב זה מקביל תנודות שלב הכיוון azimuthal של הכיוון מוטה (פאנל שמאלי של איור 9C). במצב זה מדוכא על-ידי החלת שדה מגנטי (נכון פאנל של איור 9C) עקב מגנטי. בנוגע למקורו של מולקולות המרכיבים אותה, אשר מעדיף סידור מקבילים של n עם שדה מגנטי, כפי שדווח בעבר24, 25 , 26 , 27. הדיכוי של מצב גולדסטון מציין כי מעבר שלב מתרחש מהשלב SmC * לשלב הנוצרות על-ידי שדה דומה למצב SSFLC (איור 1D). לפיכך, היישום של שדה מגנטי גורם למצב homogeneously אוריינטציה של n, הנקראת על שם ה מגנטי-שדה-induced ferroelectric גביש נוזלי (MIFLC) המדינה16.
כדי להשיג תוצאה ישירה מראה לי פעילות של היעד, נבחנו התלות שדה מגנטי של קיטוב חשמלי בטמפרטורה קבועה. כתוצאה מכך, התברר כי קיטוב חשמלי המושרה דיסקות קיים בשלב SmC * תוך נעדר בשלב SmA * (איור 10A). פעולה זו מספקת ראיה ישירה של הרופא פעילות של התערובת למד פה בשלב SmC *, כלומר, דיסקות, מכוון קיטוב ferroelectric ב גביש נוזלי. הדיכוי של חומר דיאלקטרי קבוע על-ידי שדה מגנטי הוא לכאורה (איור 10 ב'), נותן עוד ראיות של המימוש של המדינה MIFLC בשדה מגנטי (איור 10C).
איור 1: שרטוט של הברית אוריינטציה המולקולרית בכמה שלבים גביש נוזלי smectic. (א) ה SmA, SmC (B) ו- (ג) SmC * שלבים ו- (ד) מצב SSFLC. כחול, אפור מטוסים מוטות (אוקר) החצים מייצגים התמצאות הממוצעת של מולקולות, כמו רוד, smectic שכבות רגעים דיפול חשמלי, בהתאמה. להלן המרכיבים אותה מולקולות achiral עבור (א) ו- (ב) ו כיראלי עבור (ג) ו- (ד). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: הכנת גביש נוזלי התאים למדידות של לי השפעה. (א) חיתוך ו- (ב) ניקוי זכוכית מצופים איטו סובסטרטים באמבט אולטראסוני. (ג) ספין-ציפוי של פוליאימיד בצד מצופים איטו של סובסטרטים. (ד) שפשוף של סובסטרטים על ידי בד קטיפה כדי להפוך מולקולות גביש נוזלי ליישר לאורך בכיוון אחד. (ה) Gluing של סובסטרטים מאת שרף אפוקסי עם מפרידי, (נ) שבו של מצעים, חוטים מוליכי חשמל על ידי כסף להדביק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: שידור הספקטרום של תא ריק. הפער תא (d) יכול להיות מוערך מן אורכי הגל במלון maxima המקומי בספקטרום (ראה טקסט). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: מבנה מולקולרי של תרכובות בשימוש במחקר זה. (א) 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) פירימידין ו- (B) (פירימידין S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) phenyl]. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5: שלב המעבר הרצף של התערובת מהשלב 2.1. . הנה, לבכות. N *, Iso., מציינות nematic גבישי, כיראלי ו isotropic שלבים נוזלי, בהתאמה. ערכים מספריים מייצגים שלב המעבר הטמפרטורות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6: קיטוב micrographs של טקסטורות של התערובת. Micrographs (א) SmC *, (B) SmA *, (ג) N * ו Iso (D) . שלבים. תמונות של (א) ו- (B) צולמו באותו אזור הדגימה עם האור עובר דרך מסנן מעברים קצרים, שונו מ. ואח 2017 יואדה16. המסנן היה מנוצל כדי לשפר את הנראות של המבנה התקופתי בשלב SmC *. A ו- P מציינות את ההוראות של שני polarizers מצטלבים sandwiching את הדגימה. התמונות ב (ג) ו- (ד) התקבלו ללא המסנן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7: אנליזה תרמית דיפרנציאלית (DTA) על התערובת. הכוכביות מציינות שיא (או מטבל) חריגות שנצפתה DTA, אשר תואמות את הטמפרטורות מעבר פאזה מסדר ראשון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8: תצלומים של ההתקנה בשבילי מדידות. (א) תמונה של תוצרת בית להוסיף עבור המגנט מוליך-העל ו- (B) תצלום מוגדל של תותב במרחב המדגם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 9: פרופילי טמפרטורה של דיכוי מאפיינים ושדה מגנטי מבודד של מצב גולדסטון. (א) קיטוב חשמלי ו קבוע דיאלקטרי (B) שצולמו 100 הרץ בשדות מגנטיים שנבחרו. (ג) איור סכמטי של הדיכוי של מצב גולדסטון. איור זה השתנה מ. ואח 2017 יואדה16. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 10: ישיר magnetoelectric אפקט ואפקט magnetodielectric. (א) פרופילים שדה מגנטי של קיטוב חשמלי, קבוע דיאלקטרי (B) שצולמו 100 הרץ SmC * (אדום, ב 300 K) ו SmA * (שחור, ב 335 K) שלבים. (ג) איור סכמטי של מנגנון הפעולה של הפתולוג אפקט שנצפו במחקר זה. מדינה סליליים אוריינטציה המולקולרית (החלונית הימנית) עובר טרנספורמציה הפיכה למצב אוריינטציה homogeneously מולקולרי הנקרא מצב MIFLC (לוח נכון, טקסט) על-ידי החלת שדה מגנטי B דרך חיזקו מגנטי, היכן מולקולרית התמצאות מעדיף להיות מקביל לכיוון השדה המגנטי. איור זה השתנה מ. ואח 2017 יואדה16. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
תוצאות הניסוי הראו כי בשיטות המתוארות כאן בהצלחה המחישו את ME צימוד של הגביש הנוזלי. התצפיות לי ואפקטים מגנטו-דיאלקטרי ניתן לשייך המעבר orientational של אוריינטציה המולקולרית בתוך מבנה שכבה smectic קבוע. עם זאת, שכבה רגילה כיוון n0 במבנה שכבה ניתן לשנות גם על-ידי החלת שדה מגנטי דרך חיזקו מגנטי. זה מכיוון שהמולקולות מעדיפים יש הסדר מקביל של n ושדה מגנטי דרך שלהם בנוגע למקורו מגנטי. הסדר מקביל של n0 ושדה מגנטי יציב גם יותר מצב סליליים בשלב SmC *, כמו המדינה, MIFLC.
כדי לבחון מה מגנטו-דיאלקטרי אפקטים בהצלחה, ינקטו פעולות כדי להשיג את שלב SmC * הם קריטיים. לפני המידות המתאימות, המדגם מחומם לשלב נוזלי איזוטרופיות, ואז מקורר לשלב SmA * אפס שדה מגנטי על מנת ליישר את רגילה nשכבה0 לאורך הכיוון שפשוף. אחרת, שדה קירור הליך משלב נוזלי איזוטרופיות עם נזילות גבוהה במולקולות בוחרים לשלב SmA * מפתחת סידור מקבילים של n0 עם שדה מגנטי דרך מגנטי. בנוגע למקורו של המולקולות. לאחר מכן, שדה מגנטי מוחל SmA * או SmC * שלב, שבו מבנה שכבה smectic פיתחה. ובכן, כך אנחנו יכולים לבדוק את המאפיין מבודד בשלבים smectic עם מבנה השכבה קבוע.
בנוסף, אפקט תא-השטח המתאים חזקה מספיק כדי לתקן את מבנה שכבה smectic אך חלש מספיק לתת וגמישויות בכיוון מולקולרית היא קריטית גם. כדי להשיג איזון אופטימלי בין שתי המדינות, יש למצוא את התנאים הטובים ביותר של אורך לפער-תא, כוח שפשוף וכמות dopant כיראלי. אם האפקט משטח חלש מדי, שלב ה-smectic אשר גורם ferroelectricity ואינו מפתח. בינתיים אם זה חזק מדי, מדינה SSFLC חזקים התייצב ואני לא יכול להיות מכוון על ידי שדה מגנטי.
בנייר זה, מוצג רק את התוצאה של ישיר לי השפעה. עם זאת, תאים גביש נוזלי שהוכן על-ידי הפרוטוקול יכול להיות גם מנוצל לבחון של. אפקט הנגד, קרי, שדה חשמלי שליטה של מגנטיות. יתר על כן, ME אפקט הוקמה בשנת גביש נוזלי עד כה, לרבות שהראו כאן, מלווה בשינוי מולקולרי התמצאות השולט את התכונות האופטיות של גביש נוזלי. לכן, השינוי (חשמלי) מגנטי חשמלי קיטוב (מגנוט) צפוי לספק בו זמנית של מגנטו (אלקטרו-) אפקט אופטי-28. התאים גביש נוזלי שהוכנו על ידי השיטה הנוכחית יש אלקטרודות שקוף כך ניתן לסייר כזה התכונות האופטיות יחד במדגם זהה.
גביש נוזלי שלבים בדרך כלל מופיעים מסביב בטמפרטורת החדר, ולספק ובכך בגבישים נוזליים פלטפורמה טובה להקמת בטמפרטורת החדר לי פעילויות. חוץ מזה, האסטרטגיה אישר כאן ניתן ליישם כל גביש נוזלי כל עוד הם מראים SmC * שלבים. לפיכך, יותר מתוחכם ממני פונקציות צפויים להיות מפותח בכך שהוא מאפשר בחירת היעד חומרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
אנו מודים פרופסור Takanishi לעזרתו בניסוי שלנו. אנו מודים גם חברת DIC עבור מתן תרכובות למד כאן. עבודה זו נתמך על ידי מענק הסיוע עבור הבחור JSPS (16J02711), JSPS KAKENHI גרנט מספר 17H 01143, ואת התוכנית מובילים בעולם בוגר בתי הספר "תוכנית אינטראקטיבית לחניכים חומרים".
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material | |||
| Compound 1: Figure 4(A) | DIC Co., Ltd. | –N/A | PYP-8O8 |
| Compound 2: Figure 4(B) | DIC Co., Ltd. | N/A | PYP-10O10F |
| ITO-coated glass substrates | Sigma-Aldrich Inc. | 703192-10PK | |
| Detergent | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 031-10401 | |
| Alignment layer planer | JSR Co., Ltd. | AL1254 | |
| Spacer | Teijin Film Solutions Co., Ltd. | Q51-12 | |
| Glue | Huntsman Inc. | ARALDITE RT30 | For gluing two substrates |
| Glue | M&I Materials ltd. | Apiezon H Grease | For gluing a cell and homemade insert |
| Silver paste | Fujikura Kasei Co., Ltd. | D-753 | |
| Equipment | |||
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS52GTU | |
| Spin coater | Mikasa Co. Ltd. | 1H-D7 | |
| Polarized optical microscope | Nikon Co., Ltd. | ECLIPSE LV100N POL | |
| Short-pass filter | Thorlabs Inc. | FB600-40 | |
| Optical spectrometer | Ocean Optics Inc. | USB2000+UV-VIS | |
| Differential thermal analyzer | Rigaku Co., Ltd. | Thermo plus EVO2 | |
| Superconducting magnet | Quantum Design Inc. | PPMS | |
| LCR meter | Keysight Technologies Ltd. | E4980A | |
| Electrometer | Keithley Instruments Inc. | 6517A |
References
- Eerenstein, W., Mathur, N. D., Scott, J. F.
- Cheong, S. -W., Mostovoy, M. Multiferroics: A magnetic twist for ferroelectricity. Nature Materials. 6, 13-20 (2007).
- Tokura, Y., Seki, S., Nagaosa, N.
- Fiebig, M., Lottermoser, T., Meier, D., Trassin, M.
- Kagawa, F., Horiuchi, S., Tokunaga, M., Fujioka, M., Tokura, Y. Ferroelectricity in a one-dimensional organic quantum magnet. Nature Physics. 6, 169-172 (2010).
- 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).
- Wang, W., et al. Magnetoelectric coupling in the paramagnetic state of a metal-organic framework. Science Reports. 3, 2024 (2011).
- 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).
- Qin, W., Xu, B., Ren, S. An organic approach for nanostructured multiferroics. Nanoscale. 7, 9122-9132 (2015).
- Scott, J. F.
- 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).
- 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).
- Tomašovičová, N., et al. Capacitance changes in ferronematic liquid crystals induced by low magnetic fields. Phys. Rev. E. 87, 014501 (2013).
- 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).
- 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).
- Ueda, H., Akita, T., Uchida, Y., Kimura, T. Room-temperature magnetoelectric effect in a chiral smectic liquid crystal. Applied Physics Letters. 111, 262901 (2017).
- Clark, N. A., Lagerwall, S. T. Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquid crystals. Applied Physics Letters. 36, 899-901 (1980).
- 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).
- Yang, K. H. Measurements of empty cell gap for liquid-crystal displays using interferometric methods. Journal of Applied Physics. 64 (9), 4780-4781 (1988).
- Born, M., Wolf, E. Principles of Optics. , 6th ed, Pergamon. New York. (1987).
- Dierking, I. Textures of Liquid Crystals. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, FRG. (2003).
- 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).
- 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).
- Michelson, A. Physical realization of a Lifshitz point in liquid crystals. Physical Review Letters. 39, 464 (1977).
- 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).
- 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).
- Blinc, R., Muševič, I., Žekš, B., Seppen, A. Ferroelectric liquid crystals in a static magnetic field. Physica Scripta. 35, 38-43 (1991).
- Blinov, L. M. Electrooptical and Magnetooptical Properties of Liquid Crystals. , Wiley-Interscience. (1983).
