Доменная структура ферромагнетиков

Формирование и природа доменной структуры

Ферромагнитные материалы в состоянии ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью, обусловленной параллельной ориентацией магнитных моментов атомов. Однако в реальных кристаллах намагниченность не направлена одинаково по всему объёму. Для минимизации полной энергии кристалла ферромагнетики разбиваются на области – домены, внутри которых вектор намагниченности M ориентирован практически одинаково, но направления в соседних доменах могут существенно различаться.

Главная причина образования доменов заключается в стремлении системы снизить магнитостатическую энергию. Если бы весь образец имел однородную намагниченность, то за его пределами существовало бы значительное магнитное поле рассеяния, связанное с поверхностными магнитными зарядами. Это приводило бы к большой энергии магнитного поля вне образца. Разбиение на домены с различными ориентациями намагниченности позволяет существенно уменьшить или полностью компенсировать внешнее поле, тем самым понизив энергию системы.

Баланс энергий в доменной структуре

Формирование доменов определяется конкуренцией нескольких энергетических вкладов:

  1. Магнитостатическая энергия (Ems) – уменьшается при дроблении на домены.
  2. Энергия доменных стенок (Edw) – возрастает с увеличением числа доменов, так как возрастает площадь границ между ними.
  3. Анизотропная энергия (Ea) – зависит от ориентации намагниченности относительно кристаллографических осей лёгкого намагничивания.
  4. Энергия обменного взаимодействия (Eex) – стремится выровнять магнитные моменты соседних атомов, препятствуя резким изменениям направления намагниченности.

Оптимальная доменная конфигурация определяется минимумом полной энергии:

Etotal = Ems + Edw + Ea + Eex

При слишком большом числе доменов увеличивается вклад Edw, а при слишком малом – растёт Ems. Равновесное состояние соответствует определённому, устойчивому размеру доменов.

Типы доменных структур

В зависимости от формы образца, кристаллографических особенностей и истории намагничивания, ферромагнетики могут иметь различные типы доменной структуры:

  • Плоские домены – характерны для тонких пластин, где векторы намагниченности в соседних доменах ориентированы антипараллельно в плоскости образца.
  • Лабиринтные домены – сложная переплетённая структура, часто наблюдаемая в тонких ферромагнитных плёнках.
  • Кольцевые домены – встречаются в замкнутых магнитных структурах, позволяя минимизировать внешнее поле почти до нуля.
  • Параллельные домены – слоистые структуры, часто реализующиеся при слабом внешнем поле.

Доменные стенки и их структура

Доменные стенки (границы между доменами) представляют собой переходные области, в которых направление намагниченности меняется постепенно, чтобы минимизировать обменную энергию. Толщина доменной стенки обычно составляет от нескольких до сотен нанометров и зависит от материала.

Существуют два основных типа доменных стенок:

  1. Стенка Блоха – вращение магнитных моментов происходит в плоскости, перпендикулярной границе домена. Этот тип характерен для объёмных ферромагнетиков.
  2. Стенка Неля – вращение моментов происходит в плоскости самой стенки, что типично для тонких плёнок, где поверхностные заряды играют значительную роль.

Энергия доменной стенки пропорциональна площади этой границы и зависит от жёсткости обменного взаимодействия и магнитокристаллической анизотропии.

Влияние внешнего магнитного поля

При наложении внешнего магнитного поля доменная структура изменяется. Процесс намагничивания ферромагнетика происходит не за счёт резкого поворота всех магнитных моментов, а путём:

  1. Смещения границ доменов – домены, намагниченные вдоль поля, расширяются за счёт уменьшения объёма противоположно намагниченных доменов.
  2. Поворота намагниченности внутри доменов – при высоких полях, когда движение стенок ограничено, магнитные моменты начинают поворачиваться в направлении поля.

В результате намагничивание материала растёт до тех пор, пока весь образец не станет однодоменным.

Методы наблюдения доменной структуры

Для изучения доменной структуры применяются следующие методы:

  • Метод порошка магнетита (метод Биттера) – осаждение мелкодисперсного ферромагнитного порошка на поверхность, позволяющее визуализировать линии доменных стенок.
  • Магнитно-оптический эффект Керра (МОЭК) – изменение поляризации отражённого света в зависимости от ориентации намагниченности.
  • Лоренц-микроскопия – использование просвечивающего электронного микроскопа с особым режимом, позволяющим регистрировать магнитное отклонение электронного пучка.
  • Сканирующая зондовая микроскопия (MFM – magnetic force microscopy) – измерение градиентов магнитного поля с помощью чувствительного магнитного зонда.

Однодоменные и многодоменные частицы

В зависимости от размера ферромагнитного объекта он может находиться в однодоменном или многодоменном состоянии.

  • Однодоменные частицы – имеют размер меньше критического dcr, при котором энергия доменных стенок превышает выигрыш в магнитостатической энергии. Для таких частиц намагниченность однородна.
  • Многодоменные частицы – характерны для массивных образцов, где образование доменов выгодно с точки зрения энергетики.

Критический размер зависит от материала и обычно находится в диапазоне десятков–сотен нанометров.

Оглавление