Summary
In dit verslag stellen we een protocol te onderzoeken van de directe magnetoelectric effecten, dat wil zeggen, inductie van ferroelektrische polarisatie door magnetische velden, in vloeibare kristallen toe te passen. Dit protocol biedt een unieke aanpak, ondersteund door de zachtheid van vloeibare kristallen, tot kamertemperatuur magnetoelectrics.
Abstract
Materialen met verschijnselen van de koppeling tussen magnetisme en elektriciteit (ferro), hebben dat wil zeggen, magnetoelectric effecten, aangetrokken veel aandacht te wijten aan hun mogelijke toepassingen voor toekomstige apparaat technologieën zoals sensoren en opslag. Conventionele benaderingen, die meestal gebruik te maken van materialen met magnetische metaalionen (of radicalen), hebben echter een groot probleem: alleen een paar materialen zijn bevonden om te laten zien van de koppeling verschijnselen bij kamertemperatuur. Onlangs, hebben wij voorgesteld een nieuwe aanpak om de kamertemperatuur magnetoelectrics. In tegenstelling tot conventionele benaderingen, ons alternatieve voorstel richt zich op een volledig ander materiaal, een "liquid crystal", vrij van magnetische metaalionen. In deze vloeibare kristallen, kan een magnetisch veld worden gebruikt om de controle van de oriënterende staat van constituerende moleculen en de bijbehorende elektrische polarisatie via magnetische anisotropie van de moleculen; het is een ongekende mechanisme van het magnetoelectric effect. In dit verband biedt dit Witboek een protocol voor het meten van ferroelektrische eigenschappen geïnduceerd door een magnetisch veld, dat wil zeggen het rechtstreeks magnetoelectric effect, in vloeibare kristallen. Met de methode gedetailleerde hier, ontdekt wij met succes magnetisch-tuned elektrische polarisatie in de fase van de chirale smectic C van vloeibare kristallen bij kamertemperatuur. Samen met de flexibiliteit van de samenstellende moleculen, die rechtstreeks van invloed is op de magnetoelectric reacties, de geïntroduceerde methode zal dienen om vloeibare kristallen cellen te verwerven meer functies als kamertemperatuur magnetoelectrics en bijbehorende optische materialen.
Introduction
Onderzoek naar het magnetoelectric (ME)-effect, de inductie van elektrische polarisatie (magnetisatie) door een magnetische (elektrisch) veld, is gericht geweest op de weg naar de nieuwe soorten toepassingen zoals sensoren en opslagtechnologieën. Met recente studies over ME multiferroics1,2,3,4, de doelsystemen op het gebied van ME studie worden uitgebreid tot verschillende soorten solid-state materialen, met inbegrip van anorganische, organische, en Metaal-organische kaders, door gebruik te maken van de spin-lattice koppelingen viel5,6,7,8,9. Echter, kamertemperatuur operatie, die moet worden uitgevoerd voor praktische gebruik van ME materialen met hun ME koppelingen, is nog steeds een moeilijke kwestie, en een zeer beperkt aantal Enkelfasige materialen hebben gemeld als kamertemperatuur magnetoelectrics tot op heden10.
Vloeibare kristallen, die een oriënterende order, soms met een gedeeltelijke positionele bezitten, hebben ook onderzocht met betrekking tot ME materialen in afgelopen jaren11,12,13,14, 15. een van de voordelen van vloeibare kristallen als ik materialen is de temperatuur van hun werking, als vloeistof-crystal fasen zijn meestal gestabiliseerd rond kamertemperatuur. Een voorbeeld van mij vloeibare kristallen gemeld tot nu toe is een composiet tussen magnetische nano-bloedplaatjes met loodrechte magnetische anisotropie en vloeibare kristallen waaruit blijkt dat de nematic fase, bekend als de eenvoudigste fase van de vloeistof-crystal bezitten alleen eendimensionale oriënterende volgorde15. Het toont het omgekeerde ME uit te voeren, de inductie van magnetisatie door een elektrisch veld, via de veldsterkte manipulatie van de gekoppelde bloedplaatjes en moleculaire uitgangspunten.
Meer recentelijk, een andere unieke strategie om de ME effect in vloeibare kristallen voorgestelde16was. De focus van deze strategie is het creëren van een chirale smectic C (SmC *) fase met eendimensionale positionele order, wat resulteert in een diffuus lagenstructuur genaamd de smectic laag. Een kenmerk van de SmC-fase is dat een moleculaire geaardheid vector n is gekoppeld aan een lokale elektrisch dipoolmoment p. Deze correlatie is geboden door de combinatie van gekanteld oriëntatie van de staaf-achtige samenstellende moleculen met betrekking tot de smectic laag normale n0 en de chiraliteit-geïnduceerde spiegel (en inversie) symmetriebreking in de moleculen. Vanuit het oogpunt van symmetrieën, de voormalige verandert de symmetrie van D∞h (de zogenaamde SmA fase, figuur 1A) in C2h (de zogenaamde SmC fase, figuur 1B), en de laatste breekt de symmetrie van de spiegel van C2h zodat de symmetrie is verminderd in C2 (de SmC * fase, zie elke laag in Figuur 1 c). In elke SmC * laag, is de aanwezigheid van eindige polarisatie toegestaan langs de C2 -as, die normaal aan zowel n0 en n. De sterke koppeling tussen n en p is essentieel voor ferroelectricity in vloeibare kristallen. In de SmC * fase n uitgelijnd in de vertanding wijze door laag door de laag (Figuur 1 c) en er is dus geen macroscopische polarisatie. Ferroelectricity in dergelijke vloeibare kristallen wordt bereikt met behulp van sterke oppervlakte effecten, die de homogeen georiënteerde Braziliaanse deelstaat n bekend als een oppervlak-gestabiliseerde ferroelektrische vloeistof-crystal (SSFLC) staat (Figuur 1 d stabiliseren). Opgemerkt moet worden dat ferroelektrische polarisatie omkering altijd begeleidt een omschakeling van de Staten van de bi-stable oriëntatie via de koppeling tussen n en p17. Een verandering in de moleculaire oriëntatie van de SmC-fase wordt verwacht als het tegenovergestelde van het effect, aanleiding kunnen geven tot een wijziging in elektrische polarisatie. Door middel van magnetische anisotropie veroorzaakt door draaiingen op magnetische netwerkelementen en/of aromatische ringen in vloeibaar kristalmoleculen en de flexibiliteit van n in een staat van de vloeistof-crystal als gevolg van zwakkere moleculaire interacties dan in een solide crystal staat, is n ook afstembare door een magnetisch veld. Dus, de SmC-fase kan worden omgezet in een magnetisch-veld-geïnduceerde homogeen georiënteerde staat die vergelijkbaar is met een SSFLC staat. Daarom wordt de directe mij uit te voeren, de inductie van elektrische polarisatie in een magnetisch veld, zoals de ontwikkeling van macroscopische elektrische polarisatie wordt veroorzaakt door een homogene uitlijning van n p, in alle lagen gekoppeld bereikt.
Wij voeren procedures ter voorbereiding van vloeistof-crystal cellen voor het onderzoek naar ME, koppelingen en methoden voor het detecteren van de ME effect. Een methode voor de voorbereiding van de vloeistof-crystal cellen werd gemeld detail eerder18. Hier, bewerkt we deze methode voor diëlektrische en mij metingen. Met de methode gedetailleerde hier ontdekt we magnetisch-tuned elektrische polarisatie, dat wil zeggen de directe mij uit te voeren, in vloeibare kristallen waaruit de SmC-fase bij kamertemperatuur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bereiding van de vloeistof-Crystal cellen en de bepaling van de cel-kloof
-
Voorbereiding van de vloeistof-crystal cellen
- Cut glazen substraten bekleed met indium/tin-oxide (ITO) aan de ene kant naar de gewenste grootte (typische grootte: 10 x 10 x 1,1 mm, figuur 2A). Knippen van de substraten, een lijn krassen op hun gezicht met een glassnijder en overtollige glas handmatig afbreken.
- Wash de cut glazen substraten met een sopje in het ultrasoonbad bij 35 kHz voor 30 min. spoel ze af met gedeïoniseerd water in het ultrasoonbad voor 10 min. vervangen gedeïoniseerd water en spoel de substraten 5 keer te verwijderen verontreinigingen (figuur 2B). Afblazen resterende water met een air-duster-gun met zorg niet aan te raken de breedste gezichten van de substraten.
- Druppelen van polyimide oplossingen (uitlijning laag planer in Tabel van materialen) op de ITO-coated kant van de gewassen substraten, en spin-jas de oplossingen bij 5000 rpm voor 30 s (figuur 2C). Bak de substraten bij 200 ° C gedurende 1 h Verwijder het oplosmiddel en de dunne films van polyimide genezen.
- Zet de substraten op een XZ stadium zodat de ITO - en polyimide-coated kant van de substraten naar boven gekeerd zijde. Plaats de substraten onder een roller bedekt met een fluwelen doek en fix de substraten door suctioning (figuur 2D lucht). Een uniforme en zachte druk uitoefenen op de ondergronden met de roller door het aanpassen van de hoogte van het werkgebied.
Opmerking: Hier, de XZ fase werd gemaakt door een machine winkel aan de Universiteit van Osaka. - De roller draaien en verplaatsen van de fase heen en weer onder de roller 5 keer langs de horizontale richting te wrijven de substraten door de fluwelen doek. Dompel de wreef substraten in isopropyl alcohol in een container glas 10 – 50 mL voor 1 min te verwijderen verontreinigingen, en droog ze bij 80 ° C voor een paar minuten.
- Lijm de twee substraten samen met 12 μm dikte platte hars films als afstandhouders. Merk op dat zelfklevende punten worden geplaatst alleen aan de rand van de substraten en de innerlijke zijkanten van de gelijmde substraten zijn bekleed met de ITO en polyimide. Zorg ervoor dat de tegenovergestelde substraten hebben is gewreven antiparallel en iets (ongeveer 2 mm verschuiven zijn) om te zorgen voor genoeg ruimten voor elektrische terminals op beide van de substraten (figuur 2E).
- Lijm de geleidende draden op de bovengenoemde ruimten voor terminals met behulp van zilveren plakken (figuur 2F) uitvoeren. Bak de substraten met geleidende draden bij 150 ° C gedurende 1 h voor het verwijderen van het oplosmiddel in de zilveren geleidende pasta.
-
Bepaling van cel kloof 19
- De lege cellen in 1.1.7 bereid met wit licht teeltmateriaal normale om hun zo breed gezicht bestralen. Meten van de spectra van de overdracht met behulp van een optische spectrometer, en waarnemen van pseudo-sinusvormige trilling (Figuur 3), die wordt weergegeven als gevolg van de Fabry-Pérot effect20.
- Schatten van de cel kloof d met behulp van de relatie d = λ1λ2/2 (λ2-Lambda1), waar de golflengte λ1 en λ 2 duiden een paar aangrenzende piek-golflengten in de spectra van de transmissie.
2. voorbereiding van de vloeistof-crystal mengsel en het binnenbrengen van de cellen
- Meng twee verbindingen, 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) pyrimidine (samengestelde 1: figuur 4A) en (S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) fenyl] pyrimidine (samengestelde 2: figuur 4B) met een massaverhouding van 3:1 in een glazen ampul. 100 mg van de oplossing in totaal (75 mg samengestelde 1 en 25 mg samengestelde 2) voor te bereiden.
- Zet de bereid lege cel uit stap 1.1.7 op een warm podium, houden de temperatuur bij 80 ° C, een temperatuur die waartegen het mengsel van 2.1 in de isotrope vloeistoffase (Figuur 5 is). Introduceren het mengsel uit stap 2.1 in de cel met behulp van een spatel en capillaire actie. Houden van de cel temperatuur bij 80 ° C gedurende 30 min en vervolgens afkoelen tot kamertemperatuur met een snelheid van ongeveer 5 ° C/min.
3. voorbeeld karakterisering
- Plaats een cel gevuld met het mengsel van stap 2.2 op een warm podium tussen twee gekruiste polarisatoren en het te bestralen met licht. Observeren van texturen van het mengsel met wisselende temperatuur van kamertemperatuur tot 80 ° C met een snelheid van 5 ° C/min met behulp van een microscoop (en een korte-pass filter met tuning bereik van ~ 600 nm om de zichtbaarheid, als dit nodig is), en het identificeren van de vloeistof-crystal fasen van polarisatie microfoto21 (Figuur 6).
- Bepaal de fase overgang volgorde en overgang temperaturen van de waargenomen texturen (Figuur 5). Voor de SmC * fase, schatten de vertanding toonhoogte als dubbele de stripe-breedte.
- Bevestigen van de eerste-orde fase overgang temperatuur van het mengsel bereid in 2.1 door Differentiële thermische analyse (DTA; Zie Tabel van materialen en aanwijzingen van de fabrikant), waarmee een piek (of duik) anomalie in de fase van een eerste-orde overgang (Figuur 7).
4. niet-geleidend en Magnetoelectric metingen
- Bereiden van een commerciële supergeleidende magneet (Zie Tabel van materialen) uitgerust met temperatuur controllers (2-400 K) en magnetisch veld (tot 9 T).
- Een zelfgemaakte invoegen voorbereiden op de supergeleidende magneet, die uit drie belangrijke delen bestaat: sample space, een staaf met inbegrip van vier coax-kabels en een verbindingslijn terminal (figuur 8A).
- Lijm de cel bereid in 2.2 op de ruimte van de steekproef van de insert (Figuur 8). Sluit de twee geleidende draden van de cel aan de aansluitklemmen (hoog en laag) van de ruimte van het monster door solderen. Zorg ervoor dat de cel oriëntatie om toepassing van een magnetisch veld in de richting parallel aan de substraten van de cel. Plaats een thermometer op het grootste vliegtuig van de cel om nauwkeurig meten van de temperatuur van het monster en het invoegen in de supergeleidende magneet introduceren.
- De terminals connecter verbinden met een LCR -meter (Zie Tabel van materialen) met coax-kabels. Meet de diëlektrische constante als een functie van temperatuur en magnetisch veld door middel van quasi-vier terminal methoden met de LCR -meter (Zie fabrikant instructies en onze eerdere werk16).
- De terminals connecter verbinden met een elektrometer (Zie Tabel van materialen) met coax-kabels. De magnetische velden en temperatuur afhankelijkheid van verplaatsing huidige meten met de elektrometer terwijl het vegen van een magnetisch veld en de temperatuur met een constante snelheid (1.0 T/min voor ingrijpende magneetveld en 5 K/min voor het vegen van temperatuur; Zie aanwijzingen van de fabrikant en onze eerdere werk16). Elektrische polarisatie verkrijgen door de integratie van de verplaatsing huidige als functie van tijd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het protocol wordt geacht een succes alleen als de ME in monsters van de vloeistof-crystal effect wordt waargenomen. We gemeten hier de directe mij effect in een monster van de vloeistof-crystal bereid door de bovengenoemde procedures. Voor de metingen, werd een in-plane magnetisch veld toegepast met de hoek gekanteld door ongeveer 45° uit de richting wrijven is (normaal smectic lagen), omdat de grootste magnetisch-veld-geïnduceerde polarisatie werd ontdekt in deze configuratie16.
Figuur 9A toont de temperatuurprofielen van elektrische polarisatie. In de SmA * fase ontwikkelt geen elektrische polarisatie met of zonder een magnetisch veld, wat betekent dat de SmA-fase niet magnetoelectric is. Dit resultaat is goed uitgelegd door de isotroop in het vlak loodrecht op de hoofdas, die normaal de smectic lagen, van de SmA fase met punt groep D∞ (overwegen spiegel symmetriebreking van D∞h van de SmA-fase). In de SmC * fase, aan de andere kant, ontwikkelt eindige polarisatie door magnetische velden toe te passen. Dit resultaat toont een ME-koppeling in de SmC fase van de vloeibare kristallen en stelt voor de wijziging in de moleculaire oriëntatie van de eenvoudige vertanding staat waarin de som van p in de respectieve lagen tenietdoet.
In tegenstelling tot de ontwikkeling van elektrische polarisatie, wordt de karakteristieke verhoging van de diëlektrische constante in de SmC-fase onderdrukt door een magnetisch veld (figuur 9B). De verhoging in SmC * wordt toegeschreven aan het zogenaamde Goldstone mode, die bekend als een karakteristiek mode in de SmC * fase22,23 staat. Deze modus komt overeen met de schommelingen van de fase in de azimutale oriëntatie van de scheve richting (linkerdeel van figuur 9C). Deze modus wordt onderdrukt door het toepassen van een magnetisch veld (rechterdeel van figuur 9C) als gevolg van magnetische anisotropie van constituerende moleculen, die geeft de voorkeur aan een parallelle bewerking van n met een magnetisch veld, zoals gemeld eerder24, 25 , 26 , 27. de onderdrukking van de Goldstone-modus geeft aan dat een faseovergang plaatsvindt van de SmC-fase tot een veld-geïnduceerde fase die vergelijkbaar is met een SSFLC staat (Figuur 1 d). Dus, de toepassing van een magnetisch veld induceert een homogeen georiënteerde staat van n, die werd genoemd de magnetische-veld-geïnduceerde ferroelektrische vloeistof-crystal (MIFLC) staat16.
Een eenvoudig om resultaat te verkrijgen toont ME activiteit van de doelstelling, onderzochten we magnetisch-veld afhankelijkheid van elektrische polarisatie op vaste temperatuur. Dientengevolge, bleek dat magnetisch geïnduceerde elektrische polarisatie aanwezig in de SmC * fase terwijl afwezig in de SmA * fase (figuur 10A is). Dit biedt een direct bewijs van de ME activiteit van het mengsel studeerde hier in de SmC * fase, dat wil zeggen, magnetisch-tuned ferroelektrische polarisatie in vloeibare kristallen. De onderdrukking van de diëlektrische constante door een magnetisch veld is herkenbaar (Figuur 10), geven verder bewijs van de realisatie van de MIFLC staat in het magnetisch veld (Figuur 10 c).
Figuur 1: schema van moleculaire oriëntatie Staten in verschillende smectic vloeistof-crystal fasen. (A) de SmA SmC (B) en (C) SmC * fasen, en (D) een SSFLC staat. Blauwe staven, grijze vlakken en okergeel pijlen vertegenwoordigen gemiddelde stand van staafvormige moleculen, smectic lagen en elektrische dipoolmomenten, respectievelijk. Hier samenstellende moleculen zijn achiraal voor (A) en (B) en chirale voor (C) en (D). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: voorbereiding van de vloeistof-crystal cellen voor metingen van mij effect. (A) snijden en (B) reiniging van ITO-gecoate glazen substraten in het ultrasoonbad. (C) Spin-coating van polyimide aan de ITO-coated kant van de substraten. (D) wrijven van de substraten met een fluwelen doek te maken van vloeibaar kristalmoleculen uitgelijnd langs één richting. (E) lijmen van de substraten door een epoxyhars met afstandhouders en (F) dat van de substraten en geleidende draden door silver plakken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: transmissie spectrum van een lege cel. De kloof van de cel (d) kan worden geraamd van de golflengtes lokale maxima in het spectrum (zie tekst). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: moleculaire structuren van de verbindingen die worden gebruikt in deze studie. (A) 5-octyl-2-(4-octyloxyphenyl) pyrimidine en (B) (S)-5-decyl-2-[4(2-fluorodecyloxy) fenyl] pyrimidine. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: de fasevolgorde voor de overgang van het mengsel uit stap 2.1. Hier, duiden Cry. N * en Iso., kristallijn, chirale nematic en isotrope vloeistof fasen, respectievelijk. Numerieke waarden vertegenwoordigen de fase overgang temperaturen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: polarisatie microfoto van texturen van het mengsel uitmaakt. Microfoto van (A) SmC *, (B) SmA * (C) N * en (D) Iso. fasen. De beelden van (A) en (B) werden genomen in het samplegebied van dezelfde met licht een korte-pass filter passeren en van Ueda et al. 201716zijn gewijzigd. Het filter werd gebruikt om de zichtbaarheid van de periodieke structuur in de SmC-fase. A en P duiden de richtingen van twee gekruiste polarisatoren sodat het monster. De beelden in (C) en (D) werden verkregen zonder het filter. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: Differentiële thermische analyse (DTA) op het mengsel. Sterretjes geven piek (of duik) anomalieën waargenomen in DTA, die met de eerste-orde fase overgang temperaturen corresponderen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: foto's van de setup voor mij metingen. (A) een foto van de zelfgemaakte invoegen voor een supergeleidende magneet en (B) een vergrote weergave van het donormateriaal in de steekproef ruimte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9: temperatuurprofielen van diëlektrische eigenschappen en magnetisch veld onderdrukking van het Goldstone-modus. (A) elektrische polarisatie en (B) diëlektrische constante genomen bij 100 Hz in geselecteerde magnetische velden. (C) een schematische illustratie van de onderdrukking van de Goldstone-modus. Dit cijfer is gewijzigd van Ueda et al. 201716. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10: Direct magnetoelectric effect en magnetodielectric effect. (A) magnetisch veld profielen van elektrische polarisatie en (B) diëlektrische constante genomen bij 100 Hz in de SmC * (rood, bij 300 K) en SmA * (zwart, bij 335 K) fasen. (C) Schematische illustratie van het werkingsmechanisme van de ME effect waargenomen in deze studie. Een vertanding moleculaire oriëntatie staat (linkerdeelvenster) is omkeerbaar omgevormd tot een homogeen moleculaire georiënteerde staat genoemd een MIFLC staat (rechterdeel van het menu, zie tekst) door toepassing van een magnetisch veld B door middel van magnetische anisotropie, waar moleculaire oriëntatie bij voorkeur worden parallel aan de richting van het magnetisch veld. Dit cijfer is gewijzigd van Ueda et al. 201716. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De experimentele resultaten toonden aan dat de methoden zoals beschreven hier succesvol aangetoond de ME-koppeling in de vloeibare kristallen. De waargenomen mij en magneto-diëlektrische effecten kunnen worden gekoppeld aan de oriënterende overgang van moleculaire oriëntatie in de lagenstructuur van een vaste smectic. Echter kan de laag normale richting n0 in de lagenstructuur ook worden gewijzigd door een magnetisch veld door middel van magnetische anisotropie toe te passen. Dit komt omdat de moleculen de voorkeur aan een parallelle regeling van n en een magnetisch veld door hun magnetische anisotropie. De parallelle rangschikking van n0 en een magnetisch veld is ook stabieler dan de vertanding staat in de SmC * fase, als de MIFLC staat.
Te observeren de ME en magneto-diëlektrische effecten met succes, juiste stappen om te verkrijgen van de SmC-fase zijn van cruciaal belang. Voorafgaand aan de respectieve metingen, het monster naar de isotrope vloeibare fase is opgewarmd en vervolgens is afgekoeld naar de SmA fase op nul magnetisch veld om aan te passen van de laag normale n0 langs de richting wrijven. Anders ontwikkelt een veld procedure van de isotrope vloeistoffase koeling met hoge vloeibaarheid in samenstellende moleculen naar de SmA-fase een parallelle bewerking van n0 met een magnetisch veld door middel van magnetische anisotropie van de moleculen. Dan, een magnetisch veld wordt toegepast in de SmA * of SmC * fase, waar een smectic laag structuur heeft goed ontwikkeld, zodat we de diëlektrische eigenschap in de fasen van de smectic met een vaste laag-structuur onderzoeken kunnen.
Daarnaast, is een passende celoppervlak effect dat sterk genoeg is om op te lossen de lagenstructuur van de smectic maar zwak genoeg om flexibiliteit in moleculaire oriëntatie ook cruciaal. Om te bereiken van een optimaal evenwicht tussen de twee staten, heeft een te vinden van de beste voorwaarden voor een cel-gap lengte, wrijven sterkte en hoeveelheid chirale dopering. Als het oppervlakte-effect te zwak is, ontwikkelt de smectic fase die ferroelectricity induceert geen. Ondertussen als het te sterk is, een robuuste SSFLC staat wordt gestabiliseerd en niet kan worden afgestemd door een magnetisch veld.
In deze paper wordt alleen het gevolg van een direct effect ME gepresenteerd. Echter kunnen vloeistof-crystal cellen voorbereid door het protocol ook worden gebruikt om de onderzoeken een converse ME effect, dat wil zeggen, elektrische-veldbesturingselement van magnetisme. Bovendien, de ME-effect opgericht in vloeibare kristallen tot nu toe, inclusief die hier gedemonstreerd, begeleidt de verandering in de moleculaire oriëntatie die de optische eigenschappen van vloeibare kristallen domineert. Dus, de magnetische (elektrisch) verandering in elektrische polarisatie (magnetisatie) naar verwachting gelijktijdig opleveren een optisch effect magneto-(elektro-)28. De cellen van de vloeistof-crystal bereid volgens de huidige methode hebben transparante elektroden, zodat dergelijke optische eigenschappen kunnen samen worden onderzocht in hetzelfde monster.
Fasen van de vloeistof-crystal meestal verschijnen rond de kamertemperatuur, en dus vloeibare kristallen bieden een goed platform om kamertemperatuur ME activiteiten. Bovendien, de strategie die hier bevestigd kan worden toegepast op alle vloeibare kristallen, zolang ze SmC * fasen tonen. Dus, meer geavanceerde ME functionaliteiten worden verwacht doordat de juiste keuze van de materialen van de doelgroep worden ontwikkeld.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
We bedanken Prof. Takanishi voor zijn hulp in ons experiment. Wij danken ook DIC Corporation voor de verbindingen verstrekken hier studeerde. Dit werk werd gesteund door de Grant-in-Aid voor de JSPS Fellow (16J02711), JSPS KAKENHI Grant nummer 17H 01143, en het programma voor het leiden van de gediplomeerde scholen "Interactieve materialen Cadet Program".
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).
