Что такое доменная структура

Ферромагнетики и доменная структура

В статье ниже рассмотрим такой вид магнетиков как ферромагнетики. Разберём их основные свойства и доменную структуру.

Ферромагнетики – это особый класс магнетиков, способных обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанная намагниченность).

Основные свойства ферромагнетиков

Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются: железо, кобальт, соединения хрома и другие. Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность находится в зависимости от напряженности внешнего поля нелинейно и достигает насыщения. Учитывая сказанное, магнитная восприимчивость ( χ ) и магнитная проницаемость ( μ ) для ферромагнетиков непостоянны. Так же имеет место запись:

но при этом μ и χ рассматриваются как функции от напряженности поля. С ростом напряжённости поля данные функции также получают рост, проходят через максимум, а в сильном поле (при достижении насыщения) μ стремится к единице, а χ – к нулю. Значение μ в максимуме достигает сотни тысяч единиц для большинства ферромагнетиков в условиях обычной температуры.

Монокристаллы ферромагнетиков являются анизотропными по отношению к магнитным свойствам. Каждый монокристалл содержит одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особо значима. Также имеются направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Заметим, что, если вещество, являющееся ферромагнетиком, состоит малых поликристаллов, то оно является изотропным.

Рассмотрим еще одну отличительную черту ферромагнетиков: зависимости B → H → и J → H → являются неоднозначными, определенными предшествующей историей – для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис.

Для рассматриваемого класса магнетиков имеет место определенная температура, при которой вещество осуществляет фазовый переход второго рода. Такая температура носит название температуры Кюри ( T k ) или иначе: точки Кюри.

Когда значение температуры ниже точки Кюри, вещество проявляется как ферромагнетик; когда температура становится выше точки Кюри, вещество приобретает свойства парамагнетика. Вокруг точки Кюри магнитная восприимчивость ϰ отвечает закону Кюри-Вейса:

Доменная структура ферромагнетиков

Эйнштейн в ходе эксперимента показал, что ферромагнетизм вызывается спинами электронов. Как уже указывалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего поля, но под влиянием внутренних причин спины электронов начинают выстраиваться в одном общем направлении. При этом стоит отметить, что энергетически не оптимально для ферромагнетика целиком обладать намагниченностью.

Впервые теорию о свойствах ферромагнетиков сформулировал Вейсс в 1907 году. Поверхностный взгляд может отметить, что в данной теории существует противоречие между спонтанным намагничиванием и фактом, что даже, когда значение температуры ниже точки Кюри, некоторые ферромагнетики не намагничены, хоть и имеются постоянные магниты. Данное противоречие было устранено сформулированной Вейссом гипотезой.

Ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей, и каждая из них является спонтанно намагниченной. Эти области получили название доменов.

Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным. Включение внешнего поля вызывает рост доменов, имеющих ориентацию по полю, за счет доменов, имеющих ориентацию против поля; происходит смещение доменных границ. Если поле слабое, подобное смещение является обратимым. Если поле сильное, домены изменяют ориентацию в пределах всего домена; процесс приобретает необратимый характер, появляется явление гистерезиса и остаточное намагничивание.

Подобный доменный «распад» энергетически выгоден. Когда ферромагнетик дробится на домены, и появляются домены различной ориентации, наблюдается ослабление магнитного поля, порождаемого ферромагнетиком; сопутствующая энергия становится меньше. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Ее рост обусловлен различной ориентацией спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов получает окончание при достижении минимума суммы магнитной и обменной энергии. Условием минимума определяется также размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков имеет эмпирическое доказательство.

Границы доменов

Резюмируя вышесказанное: чтобы минимизировать энергию магнитного поля, оптимально создать условия для уменьшения размера домена. При этом имеется препятствие, выраженное неизбежностью энергетических затрат на образование границ между доменами, поскольку намагниченность по разные стороны границы обладает разной направленностью. Граница имеет определенную толщину, в ее пределах намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.

Стенки доменов имеют классификацию по особенностям поворота вектора намагниченности:

Рисунок 1 демонстрирует идеализированные структуры доменов в монокристалле. При помощи стрелок обозначены направления намагниченности.

Необходимо определить, какое свойство дает возможность использовать ферромагнетики для создания сильных полей.

Указанная отличительная черта намагничивания ферромагнетиков объясняет эффективное использование этих материалов для создания сильных магнитных полей в области, далекой до насыщения. В сильных полях наступает насыщение, и применение ферромагнетиков практически бесполезно.

Источник

магнитная доменная структура

М. д. с. существует при темп-pax ниже темп-ры магнитного фазового перехода в магнитоупорядоченное состояние и в определ. интервалах значений напряжённости внеш. магн. поля.

Равновесная М. д. с. определяется минимумом полной энергии магнетика, включающей энергию обменного взаимодействия, магнитной анизотропии, магнитостатич. и магнитоупругую энергию.

М. д. с. простейшего вида (рис. 1, б)может существовать в тонких пластинах, а также в глубине массивных кристаллов. В достаточно толстых пластинах вблизи их поверхностей М. д. с. усложняется (ветвится). Такое ветвление показано на рис. 2 для магнитоодноосного кристалла. Причиной ветвления М. д. с. (образования несквозных клиновидных доменов) является уменьшение магнитостатической энергии при сохранении доменной структуры в толще образца.

При антипараллельном направлении намагниченности М в смежных доменах магнитоодноосного ферромагн. кристалла в разделяющей домены стенке вектор М поворачивается на 180° (180-градусная стенка). В магнитомногоосных ФМ (Fe, Ni и др.) возможно существование смежных доменов. в к-рых векторы М ориентированы под углом друг к другу. Так, в Fe намагниченность доменов может быть направлена вдоль любой ОЛН типа [100]. В разделяющих такие домены стенках поворот вектора М осуществляется на 90° (90-градусные ДС). В Ni и др. кристаллах кубич. системы с ОЛН, параллельными осям типа (111), реализуются 71-и 109-градусные ДС. В нек-рых случаях сосуществования доменов (фаз) с [напр., монокристалл Fe, ограниченный поверхностями (100)] возможна доменная структура с почти полностью замкнутым магн. потоком (рис. 3). В таких ФМ помимо основных существуют замыкающие домены, локализованные вблизи поверхности кристалла.

Рис. 3. Схематическое изображение магнитной доменной структуры с полностью замкнутым потоком, существующей в ферримагнитных монокристаллах, ограниченных поверхностями типа (100). Направления намагниченности доменов показаны стрелками.

У ФМ с замыкающими доменами существование магнитостатич. полюсов связано только с выходом ДС на поверхность кристалла, и в образцах с размерами, превышающими толщину ДС , магнитостатич. энергия не играет существенной роли. Поскольку из-за магнитострикции каждый домен деформируется в направлении собств. намагниченности, то на стыках доменов с появляются избыточные магнитоупругие напряжения. Т. о., равновесные размеры М. д. с. с замыкающими доменами (рис. 3) определяются минимумом магнитоупругой энергии и энергии ДС. Если поверхности кристалла кубич. системы (сингонии, см. Симметрия кристаллов)не совпадают с плоскостями типа (100), то замыкающие домены имеют более сложную конфигурацию. На рис. 4 представлена замыкающая структура в пластинах с поверхностями типа (110). В пластинах магнитомногоосных кристаллов с плоскостями, слегка наклонёнными к кристаллографич. плоскостям типа (100) или (110), кроме сквозной полосовой М. д. с. наблюдается структура в виде «ёлочек» и «капель» соответственно (рис. 5). Такое усложнение М. д. с. обусловлено уменьшением энергии матнитостатич. полюсов, связанных с выходом ОЛН, а следовательно М, на поверхность пластины.

Рис. 4. Замыкающая магнитная доменная структура, наблюдаемая в монокристаллических пластинках кремнистого железа (97% Fe- 3% Si )на поверхностях типа (110). Линиями показаны границы доменов.

На М. д. с. в ФМ большое влияние оказывают внеш. воздействия: изменение темп-ры, упругие напряжения и, что особенно важно для приложении, магн. поле (постоянное Н п переменное ).

Нагрев и последующее охлаждение образцов (определ. режимы для разных магн. материалов) могут приводить к изменению кристаллич. структуры образцов, а следовательно, и к изменению М. д. с.

Упругие напряжения существенно влияют на М. д. с. лишь в магнитомногоосных кристаллах при наличии в них ДС, отличных от 180-градусных. Под влиянием упругих напряжений может происходить смещение ДС, а также дробление и перестройка М. д. с. После снятия напряжения исходная М. д. с. полностью не восстанавливается. М. д. с. чувствительна также к комбинир. воздействиям темп-ры и магн. поля, а также темп-ры и упругих напряжений. Такие воздействия могут приводить к перераспределению дефектов в кристаллах и к появлению дополнит. анизотропии (т. н. наведённой анизотропии), с чем и связаны изменения М. д. с.

Под действием постоянного внеш. магн. поля Н ДС смещаются и М. д. с. перестраивается (см. Доменной стенки динамика ).При достаточно больших значениях H М. д. с. почти полностью исчезает, домены сливаются. Снижение Н выводит ФМ из состояния магн. насыщения. Вначале вблизи поверхностей кристалла возникают области обратной намагниченности (зародыши перемагничивания), затем нек-рые из них сильно разрастаются, приводя к образованию М. д. с. При выключении Н ФМ сохраняет, как правило, остаточную намагниченность и имеет в этом состоянии М. д. с., к-рая может значительно отличаться от М. д. с. полностью размагниченного образца. Такие М. д. с. являются метастабильными. В кристаллах с большими полями анизотропии ( , MnBi и др.) остаточно намагниченное состояние может быть одно-доменным. Существование метастабилыных М. д. с. обусловлено большими энергетич. барьерами, препятствующими образованию зародышей перемагничивания.

В тонких магнитных плёнках поле Н может стабилизировать определённую М. д. с., в частности т. я. ЦМД-структуру (см. Цилиндрические магнитные домены).

М. д. с. оказывает влияние на статич. и динамич. свойства ферромагн. кристаллов: коэрцитивную силу, остаточную намагниченность, форму петли гистерезиса магнатного, начальную магнитную проницаемость, магнитные потери, спин-волновые возбуждения (см. Спиновые волны ),разл. виды магнитного резонанса и др.

В отличие от ФМ в ферримагнетиках (ФРМ) и антиферромагнетиках (АФМ) существует неск. подрешёток магнитных, что вносит своеобразие в их М. д. с. В ФРМ из-за наличия обменного взаимодействия между подрешётками результирующая намагниченность практически не меняется в полях до 10-100 кЭ. В связи с этим магн. свойства ФРМ, в частности образование М. д. с., влияние на неё внеш. факторов, а также способы наблюдения М. д. с., оказываются обычно идентичными свойствам ФМ. В сильных магн. полях (-100 кЭ) ориентация намагниченностей подрешёток относительно друг друга может измениться, напр. коллинеарное положение может стать неколлинеарным. В такой ситуации может возникать т. н. высокополевая М. д. с.

Причины образования М. д. с. в АФМ до конца не выяснены. Одна из причин состоит, по-видимому, в появлении и разрастании при зародышей АФМ-фазы со случайными направлениями L (см. Антиферромагнитные домены).

Образование М. д. с. в АФМ, оправданное энергетически, возможно вблизи точки фазового перехода типа опрокидывания спинов (см. Спин-флоп переход)в присутствии внеш. магн. поля. Однако эти М. д. с. могут существовать лишь в узкой области магн. полей. Такую М. д. с. наз. промежуточным состояв и-е м АФМ.

М. д. с. может существовать и в веществах со спиральной магнитной атомной структурой. Так, установлено сосуществование фаз с геликоидальным и веерным типами магн. упорядочения и, как обычно, переход от одной фазы к другой происходит в слое конечной толщины.

К методам эксперим. наблюдения М. д. с. относятся: метод магн. суспензии; методы, основанные на Керра эффекте (для непрозрачных магнетиков) и на Фа радея эффекте (для прозрачных магнетиков); электронная микроскопия; магнитная нейтронография и др.

В методе магн. суспензии (порошковых фигур) выявление М. д. с. основано на преимуществ. осаждении частиц магн. порошка в местах выхода ДС на поверхность образца. Метод позволяет определять конфигурацию доменов вблизи поверхности образца, а также направление проекции их намагниченности вдоль поверхности. В методе, использующем магнитооптич. эффект Керра, определяют изменение поляризации света при отражении от различно намагниченных участков поверхности образца и т. о. выявляют его М. д. с. Эффект Фарадея (поворот плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль магн. поля) применим для исследования М. д. с. тонких пластин прозрачных магнетиков (в оптич. и ИК-диапазонах). Этот метод, благодаря высокому разрешению по времени, позволяет изучать динамику М. д. с. Электронная микроскопия и магн. нейтронография являются эффективными методами исследования М. д. с., т. к. электроны и нейтроны обладают собств. магн. моментами и характер рассеяния электронных и нейтронных пучков в магнетиках связан с их М. д. с.

Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, гл. 23; Xуберт А., Теория доменных стенок в упорядоченных средах, пер. с нем., М., 1977; Барьяхтар В. Г., Иванов Б. А., В мире магнитных доменов. К., 1986.

Источник

МАГНИТНАЯ ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА

— совокупность макроскопич. областей ( доменов )магнитоупорядоченного вещества, отличающихся, в зависимости от конкретного типа магн. упорядочения, направлением намагниченности М, вектора антиферромагнетизма L или направлениями М и L одновременно (а также размером, формой и др. особенностями, связанными, в частности, с кристаллографич. структурой образца и геометрией его поверхности).

М. д. с. существует при темп-pax ниже темп-ры магнитного фазового перехода в магнитоупорядоченное состояние и в определ. интервалах значений напряжённости внеш. магн. поля.

Равновесная М. д. с. определяется минимумом полной энергии магнетика, включающей энергию обменного взаимодействия, магнитной анизотропии, магнитостатич. и магнитоупругую энергию.

М. д. с. простейшего вида (рис. 1, б )может существовать в тонких пластинах, а также в глубине массивных кристаллов. В достаточно толстых пластинах вблизи их поверхностей М. д. с. усложняется (ветвится). Такое ветвление показано на рис. 2 для магнитоодноосного кристалла. Причиной ветвления М. д. с. (образования несквозных клиновидных доменов) является уменьшение магнитостатической энергии при сохранении доменной структуры в толще образца.

При антипараллельном направлении намагниченности М в смежных доменах магнитоодноосного ферромагн. кристалла в разделяющей домены стенке вектор М поворачивается на 180° (180-градусная стенка). В магнитомногоосных ФМ (Fe, Ni и др.) возможно существование смежных доменов. в к-рых векторы М ориентированы под углом друг к другу. Так, в Fe намагниченность доменов может быть направлена вдоль любой ОЛН типа [100]. В разделяющих такие домены стенках поворот вектора М осуществляется на 90° (90-градусные ДС). В Ni и др. кристаллах кубич. системы с ОЛН, параллельными осям типа (111), реализуются 71-и 109-градусные ДС. В нек-рых случаях сосуществования доменов (фаз) с [напр., монокристалл Fe, ограниченный поверхностями (100)] возможна доменная структура с почти полностью замкнутым магн. потоком (рис. 3). В таких ФМ помимо основных существуют замыкающие домены, локализованные вблизи поверхности кристалла.

Рис. 3. Схематическое изображение магнитной доменной структуры с полностью замкнутым потоком, существующей в ферримагнитных монокристаллах, ограниченных поверхностями типа (100). Направления намагниченности доменов показаны стрелками.

У ФМ с замыкающими доменами существование магнитостатич. полюсов связано только с выходом ДС на поверхность кристалла, и в образцах с размерами, превышающими толщину ДС , магнитостатич. энергия не играет существенной роли. Поскольку из-за магнитострикции каждый домен деформируется в направлении собств. намагниченности, то на стыках доменов с появляются избыточные магнитоупругие напряжения. Т. о., равновесные размеры М. д. с. с замыкающими доменами (рис. 3) определяются минимумом магнитоупругой энергии и энергии ДС. Если поверхности кристалла кубич. системы (сингонии, см. Симметрия кристаллов )не совпадают с плоскостями типа (100), то замыкающие домены имеют более сложную конфигурацию. На рис. 4 представлена замыкающая структура в пластинах с поверхностями типа (110). В пластинах магнитомногоосных кристаллов с плоскостями, слегка наклонёнными к кристаллографич. плоскостям типа (100) или (110), кроме сквозной полосовой М. д. с. наблюдается структура в виде «ёлочек» и «капель» соответственно (рис. 5). Такое усложнение М. д. с. обусловлено уменьшением энергии матнитостатич. полюсов, связанных с выходом ОЛН, а следовательно М, на поверхность пластины.

Рис. 4. Замыкающая магнитная доменная структура, наблюдаемая в монокристаллических пластинках кремнистого железа (97% Fe- 3% Si)на поверхностях типа (110). Линиями показаны границы доменов.

На М. д. с. в ФМ большое влияние оказывают внеш. воздействия: изменение темп-ры, упругие напряжения и, что особенно важно для приложении, магн. поле (постоянное Н п переменное ).

Нагрев и последующее охлаждение образцов (определ. режимы для разных магн. материалов) могут приводить к изменению кристаллич. структуры образцов, а следовательно, и к изменению М. д. с.

Упругие напряжения существенно влияют на М. д. с. лишь в магнитомногоосных кристаллах при наличии в них ДС, отличных от 180-градусных. Под влиянием упругих напряжений может происходить смещение ДС, а также дробление и перестройка М. д. с. После снятия напряжения исходная М. д. с. полностью не восстанавливается. М. д. с. чувствительна также к комбинир. воздействиям темп-ры и магн. поля, а также темп-ры и упругих напряжений. Такие воздействия могут приводить к перераспределению дефектов в кристаллах и к появлению дополнит. анизотропии (т. н. наведённой анизотропии), с чем и связаны изменения М. д. с.

Под действием постоянного внеш. магн. поля Н ДС смещаются и М. д. с. перестраивается (см. Доменной стенки динамика). При достаточно больших значениях H М. д. с. почти полностью исчезает, домены сливаются. Снижение Н выводит ФМ из состояния магн. насыщения. Вначале вблизи поверхностей кристалла возникают области обратной намагниченности (зародыши перемагничивания), затем нек-рые из них сильно разрастаются, приводя к образованию М. д. с. При выключении Н ФМ сохраняет, как правило, остаточную намагниченность и имеет в этом состоянии М. д. с., к-рая может значительно отличаться от М. д. с. полностью размагниченного образца. Такие М. д. с. являются метастабильными. В кристаллах с большими полями анизотропии ( , MnBi и др.) остаточно намагниченное состояние может быть одно-доменным. Существование метастабилыных М. д. с. обусловлено большими энергетич. барьерами, препятствующими образованию зародышей перемагничивания.

В тонких магнитных плёнках поле Н может стабилизировать определённую М. д. с., в частности т. я. ЦМД-структуру (см. Цилиндрические магнитные домены).

М. д. с. оказывает влияние на статич. и динамич. свойства ферромагн. кристаллов: коэрцитивную силу, остаточную намагниченность, форму петли гистерезиса магнатного, начальную магнитную проницаемость, магнитные потери, спин-волновые возбуждения (см. Спиновые волны), разл. виды магнитного резонанса и др.

В отличие от ФМ в ферримагнетиках (ФРМ) и антиферромагнетиках (АФМ) существует неск. подрешёток магнитных, что вносит своеобразие в их М. д. с. В ФРМ из-за наличия обменного взаимодействия между подрешётками результирующая намагниченность практически не меняется в полях до 10-100 кЭ. В связи с этим магн. свойства ФРМ, в частности образование М. д. с., влияние на неё внеш. факторов, а также способы наблюдения М. д. с., оказываются обычно идентичными свойствам ФМ. В сильных магн. полях (-100 кЭ) ориентация намагниченностей подрешёток относительно друг друга может измениться, напр. коллинеарное положение может стать неколлинеарным. В такой ситуации может возникать т. н. высокополевая М. д. с.

Причины образования М. д. с. в АФМ до конца не выяснены. Одна из причин состоит, по-видимому, в появлении и разрастании при зародышей АФМ-фазы со случайными направлениями L (см. Антиферромагнитные домены).

Образование М. д. с. в АФМ, оправданное энергетически, возможно вблизи точки фазового перехода типа опрокидывания спинов (см. Спин-флоп переход )в присутствии внеш. магн. поля. Однако эти М. д. с. могут существовать лишь в узкой области магн. полей. Такую М. д. с. наз. промежуточным состояв и-е м АФМ.

М. д. с. может существовать и в веществах со спиральной магнитной атомной структурой. Так, установлено сосуществование фаз с геликоидальным и веерным типами магн. упорядочения и, как обычно, переход от одной фазы к другой происходит в слое конечной толщины.

К методам эксперим. наблюдения М. д. с. относятся: метод магн. суспензии; методы, основанные на Керра эффекте (для непрозрачных магнетиков) и на Фа радея эффекте (для прозрачных магнетиков); электронная микроскопия; магнитная нейтронография и др.

В методе магн. суспензии (порошковых фигур) выявление М. д. с. основано на преимуществ. осаждении частиц магн. порошка в местах выхода ДС на поверхность образца. Метод позволяет определять конфигурацию доменов вблизи поверхности образца, а также направление проекции их намагниченности вдоль поверхности. В методе, использующем магнитооптич. эффект Керра, определяют изменение поляризации света при отражении от различно намагниченных участков поверхности образца и т. о. выявляют его М. д. с. Эффект Фарадея (поворот плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль магн. поля) применим для исследования М. д. с. тонких пластин прозрачных магнетиков (в оптич. и ИК-диапазонах). Этот метод, благодаря высокому разрешению по времени, позволяет изучать динамику М. д. с. Электронная микроскопия и магн. нейтронография являются эффективными методами исследования М. д. с., т. к. электроны и нейтроны обладают собств. магн. моментами и характер рассеяния электронных и нейтронных пучков в магнетиках связан с их М. д. с.

Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, гл. 23; Xуберт А., Теория доменных стенок в упорядоченных средах, пер. с нем., М., 1977; Барьяхтар В. Г., Иванов Б. А., В мире магнитных доменов. К., 1986.

Источник