RIKEN: liquid crystal deduction that can greatly control the dielectric dielectric rate in light
本研究成果は、強誘電体[1]の比誘電率を大幅に、簡便かつ可逆に制御する原理を発案しただけでなく、強誘電性ネマチック液晶を用いた実用的なフォトコンデンサ素子への応用が期待できる。
Filling electricity Nematic LCDs are a new concept LCD that has been reported in recent years, and has been reported with a ratio of more than 10,000, the largest organic molecule.However, the origin of this fantastic electricity was still unknown, and the possibility of application was unknown.
This time, the research team responds to visible light and changes the ratio rate of about 100 times in a very simple method of adding a small amount of organic molecules with light response to the material of the ferrous nematic liquid crystal.developed.Furthermore, it was shown that a photo capacitor element was made using this material, and the capacity capacity could be greatly controlled and controlled.
This study was published in the online scientific magazine "Nature Communications" (March 3rd ︓ Japan 3rd 3rd).
table of contents
background
「強誘電性」は不揮発性メモリ[4]などさまざまな素子の原理として用いられる重要な物性で、空間対称性[5]の破れた物質だけに発現する特殊な性質を持つ。強誘電性の多くは結晶など固体状態で現れるが、近年では、「ネマチック液晶」と呼ばれる高い流動性を持った状態の有機物においても強誘電性が報告されており、有機物としては最大級の10,000を超える比誘電率が確認されている。
ネマチック液晶は光シャッター[6]として利用できることから、スマートフォンやテレビなどの表示素子に広く用いられている。しかし、強誘電性を持つネマチック液晶はごく最近になって発見され、固体材料にはない流動性・柔軟性を持つことから、表示素子にとどまらず、広くエネルギー材料やロボティクス材料への活用の可能性から注目されている。その一方で、その強誘電性の発現原理は未解明であるため、基礎科学研究が行われている。
Imaging elements such as digital cameras, solar cells, and light detection sensors are often used with materials and elements that respond to light.There are various principles in these materials and elements, for example, semiconductor, such as the element that responds to the light called "photo register" that gives light response and changes the electric resistance, and a diode element that generates electricity called "photo diode".Some materials are used (Fig. 1).On the other hand, there are elementary capacitors that store and release electricity, but there are not many cases of reporting of "photo capacitors" that can respond lightly, and the existing photo capacitors have not changed significantly due to light response.
Research methods and results
研究チームは、強誘電性ネマチック相を示す含ジオキサンフッ素系液晶性化合物のDIOと呼ばれる材料（図2上）に、光応答性を持つ有機分子を少量添加するという極めて簡便な方法で、可視光に応答し比誘電率がおよそ100倍も変化する材料を開発した。添加した光応答性分子には、強誘電性ネマチック液晶に対する高い混合親和性を持ちながらも、可視光によって光異性化反応[7]を示すアゾベンゼン基[7]を持つ色素（通称Azo-F）を新たに合成した（図2下）。
Azo-Fを添加した強誘電性ネマチック液晶は、波長500～550ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）の緑色の光を照射すると比誘電率が減少し、波長400～450nmの青色の光を照射すると比誘電率が増加した。Azo-Fを4％混合した強誘電性ネマチック液晶では、光照射前の比誘電率は最大値で約18,000（εmax）だったが、緑色の光（波長525nm、180mW cm-2）を30秒照射することで、最小値で約200（εmin）まで下げることができた（図3A）。この状態に青色の光（波長415nm、7mW cm-2）を30秒照射すると、比誘電率は最大値である18,000にほぼ戻り、このときの比誘電率の変化率(εmax-εmin)/εmaxは99.5％にも達した。この変化率は、光だけでなく熱や電場など各種外部刺激に応答する従来の誘電体[1]材料の中で最大である（図3C）。
In addition, by alternately irradiating green and blue light, this change could be repeated, and it was possible to repeat it many times (confirmed up to about 100 times) (Fig. 3b).As for the response time, the same change was obtained in less than a few seconds by using stronger light such as lasers.
次に、光による状態変化を紫外-可視吸収分光測定[8]やX線回折法[9]、偏光顕微鏡[10]観察により解析した結果、緑色の光を照射したときにはAzo-Fが「シス体」と呼ばれる嵩高い状態に光異性化することで、強誘電性ネマチック液晶の配向秩序に擾乱を与え強誘電性の分極構造を破壊し、強誘電性ではない通常のネマチック液晶に相転移[11]していることが確認された。一方、青色の光を照射したときには、Azo-Fは「トランス体」という親和性の高い状態に光異性化することで、強誘電状態を復元することが分かった。これは、強誘電性ネマチック液晶では、分子の局所的な配向構造が強誘電性の発現に関わっていることを示している。
Since the anti -electric nematic liquid crystal has a fluidity, it can spread between the electrodes simply by sandwiching between a flat electrode, and a parallel flat plate capacitor can be configured.Since the power storage capacity of the ideal capacitor is proportional to the ratio rate, the capacitor using a ferrous electric nematic liquid crystal has about 1000 times larger than the case where the normal nematic LCD is sandwiched in the same way.Hold (Fig. 4).
コンデンサの電極材として、可視域において光透過性を持つインジウム・スズ酸化物半導体（ITO）[12]を用いると、素子の内部、つまり光応答性の強誘電性ネマチック液晶まで光を届けることができる。従って、コンデンサの静電容量は緑色、青色の光の照射による比誘電率の変化に応じて増減させることができ、フォトコンデンサが実現できる。
そこで、平坦なITO電極に光応答性強誘電性ネマチック液晶を挟んだだけの「液晶セル」と呼ばれるシンプルな原理デバイス（電極面積50mm2、電極間距離17.8 Micrometer [µm, 1 µm is 1,000/000]) confirmed that light control could be lightly controlled from about 4 nanofarads (NF, 1NF in 1 billionth of 1 billion) (Figure 5).。The absolute value of the capacitance varies depending on the area and distance of the capacitor electrode, but despite the simple element that the material is sandwiched between the electrodes, the electrostatic capacity is NF to µF (1 µF is 1,000th, 1 million Fald).It is considered that it is an industrial advantage that it is in the same range as a widely used practical capacitor.
さらに、実用状態に近い電気回路での動作を確認するために、このフォトコンデンサを電気発振回路[13]へ組み込み、光照射下での動作を調べたところ、100Hz～8.The oscillation frequency could be changed in the range of 5kHz.Since this frequency is within the hearing range of humans, by connecting the oscillation circuit to the speaker, the change in the oscillation frequency can be regarded as a high and low change in sound (see video).100Hz ~ 8.The operating frequency range of 5kHz corresponds to the change in capacity of 4NF to 360NF above, but the operation limit frequency is considered to be outside this.Therefore, it shows that at least this range operates as a normal capacitor and can be controlled freely by light.
Future expectations
The light response nematic liquid crystal, which has been realized this time, can be expected to realize various optical elements unprecedented due to its exceptional light response.The photo capacitor shown as an example can be a simple structure, but it can run between high -capacity and low -capacity status by light irradiation, so a new electrical element, such as a storage device that can freely change the output power according to the power demand.It can be an element technology of.
In this study, the material that requires heating was used, but the ferrous electric nematic LCD that can be used at room temperature has already been developed, and a photo capacitor that operates at room temperature can be realized by using it.Furthermore, since the basic element structure is the same as the liquid crystal display, there is a possibility that existing LCD technology and industrial base may be used.