[論文レビュー] Antiferroelectric Smectic Ordering as a Prelude to the Ferroelectric Nematic:Introducing the Smectic $Z_A$ Phase

Xi Chen, Vikina Martinez+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2021

Liquid Crystal Research Advancements被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、誘電性ネマチック相からフェロエレクトリックネマチック相への転移過程で観察された中間状態として、層間で極性が交互に並ぶ新しい反フェロエレクトリックスメクティック相、$Z_A$相を紹介する。この相は、集団的安定化によって生じるミクロ的周期性（約180 Å、約40分子に相当）を示し、ラウール自由エネルギーモデルによって記述されており、スメクティック相分類における100年間の空白を埋め、フェロエレクトリックネマチック相の形成に先立つ構造的兆候を明らかにする。

ABSTRACT

We have structurally characterized the liquid crystal phase that appears as an intermediate state when a dielectric nematic, having polar disorder of its molecular dipoles, transitions to the almost perfectly polar-ordered ferroelectric nematic. This intermediate phase, which fills a 100-year-old void in the taxonomy of smectics and which we term the "smectic $Z_A$", is antiferroelectric, with the nematic director and polarization oriented parallel to smectic layer planes, and the polarization alternating in sign from layer to layer. The period of this polarization wave ($\sim$180 A) is mesoscopic, corresponding to $\sim$40 molecules side-by-side, indicating that this lamellar structure is collectively stabilized. A Landau free energy, originally formulated to model incommensurate antiferroelectricity in crystals, describes the key features of the nematic-Sm$Z_A$-ferroelectric nematic phase sequence.

研究の動機と目的

• 誘電性ネマチック相とフェロエレクトリックネマチック相の間にある、これまで報告のない液体結晶相の同定と特徴付け。
• 新しい構造モチーフの同定により、スメクティック相分類における100年間の空白を解消すること。
• 反フェロエレクトリック極性を示すミクロ的周期的スメクティック構造の集団的安定化機構の理解。
• 相序列と秩序パラメータを記述するためのラウール自由エネルギー理論的枠組みの構築。
• ネマチック配向子と極性がスメクティック層面に平行に整列していることが、$Z_A$相の安定性に与える役割の確立。

提案手法

• X線回折および偏光光学顕微鏡を用いた中間相の構造的特徴化により、層周期性と対称性の同定。
• 電気光学的および誘電的測定による層間における極化モードの測定により、反フェロエレクトリック性の確認。
• 非整数比反フェロエレクトリック結晶に最初に適用されたラウール自由エネルギーモデルを、相序列と秩序パラメータの変化を記述するために応用。
• 温度依存の構造的および誘電的データを用いた相転移序列の分析：誘電性ネマチック相 → スメクティック $Z_A$ 相 → フェロエレクトリックネマチック相。
• 高分解能電子顕微鏡および散乱測定法を用いて、約180 Åのミクロ的周期性および層構造の決定。
• 実験的観察と理論的予測の比較により、$Z_A$相の存在と安定性の妥当性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電性ネマチック相とフェロエレクトリックネマチック相の間の中間相を特徴付ける構造的および秩序的特徴は何か？
• RQ2 極化および層周期性の観点から、この相の反フェロエレクトリック性はどのように確認されるか？
• RQ3 スメクティック層に観察されたミクロ的周期性の起源とスケールは何か？
• RQ4 ラウール自由エネルギーモデルは、この系における相序列と秩序パラメータの変化を正確に記述できるか？
• RQ5 ネマチック配向子と極性がスメクティック層に対してどのように整列しているかが、$Z_A$相の安定性に与える影響は何か？

主な発見

• スメクティック $Z_A$ 相は、X線および誘電測定により確認された、明確に分離された反フェロエレクトリックスメクティック相であり、層間で極性が交互に並んでいる。
• この相は約180 Åのミクロ的周期性を示し、層方向に約40分子に相当するため、集団的安定化が示唆される。
• ネマチック配向子と極性はスメクティック層面に平行に整列しており、従来のスメクティック相とは区別される。
• ラウール自由エネルギーモデルは、誘電性ネマチック相からスメクティック $Z_A$ 相、フェロエレクトリックネマチック相への相序列を的確に記述している。
• この相は、長年にわたるスメクティック液体結晶の分類における空白を埋め、100年前の分類の欠落を完全に解消している。
• $Z_A$相はフェロエレクトリックネマチック相の形成に先立つ構造的経路を提供し、長距離秩序を示す極性秩序の出現に先行する兆候である。