магнитная доменная структура

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.

В общем случае на тип М. д. с. существенное влияние оказывают: особенности магн. анизотропии (число осей лёгкого намагничивания); ориентация ограничивающих кристалл поверхностей относительно кристаллографич. осей; форма и размеры образца, а также всевозможные дефекты - магн. и немагн. включения, дефекты упаковки ,границы двойников (см. Двойникование), дислокации и др.

Наиб. изучена М. д. с. в ферромагнетиках (ФМ). Представление о магн. доменах в ФМ введено8 в 1907 П. Вейсом (P. Weiss). Появление М. д. с. в ФМ п8риводит к уменьшению его магнитостатич. энергии - результирующий магн. момент ферромагн. образца значительно уменьшается или оказывается равным нулю.

Согласно теоретич. представлениям, обменное взаимодействие выстраивает элементарные магн. моменты ФМ параллельно друг другу. Результирующий магн. момент единицы объёма ФМ (намагниченность М)ориентируется в одном из направлений, соответствующих наим. энергии магн. анизотропии,- вдоль одной из осей лёгкого намагничивания (ОЛН). При этом на поверхностях образца возникают магнитные полюсы (магнитостатич. полюсы, рис. 1, а), и при не равном нулю результирующем магн. моменте часть энергии образца оказывается запасённой в его магнетостатич. поле. Эта энергия может быть уменьшена, если часть образца окажется намагниченной в одном, а часть - в др. направлении. При этом образуется М. д. с., простейший тип к-рой (плоскопараллельная структура) представлен на рис. 1, б. Здесь в соседних доменах векторы М ориентированы в противоположных направлениях вдоль одной и топ же ОЛН.

Рис. 1. а - Возникновение магнитостатических полюсов (обозначены знаками и ) у однородно намагниченного кристалла; б - образование простейшей плоскопараллельной магнитной доменной структуры, дробящей эти полюсы и уменьшающей магнитостаческую энергию кристалла. Вектор М - намагниченность кристалла (домена).

При наличии М. д. с. между соседними областями с разными направлениями М существуют переходные области - доменные стенки (ДС) (их наз. также доменными границами), обладающие энергией на единицу площади. Появление М. д. с. возможно лишь в том случае, когда энергия, затраченная на образование ДС, меньше убыли магнитостатич. энергии. Это условие выполняется в кристаллах достаточно больших размеров, больших размера однодоменности (см. Однодоменные частицы ).На расстояниях короткодействующее обменное взаимодействие играет более важную роль, чем дальнодействующее магнитостатическое, с чем и связана невозможность образования М. д. с. в кристаллах с размерами, меньшими (для Ni, напр.,). Обычно домены в ФМ имеют размеры см.

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.

Рис. 2. Ветвление доменов у поверхности массивного магнитоодноосного кристалла: а - стадия образования клиновидных доменов, имеющих обратную намагниченность; б - развитое ветвление в случае, когда вектор М параллелен оси лёгкого намагничивания (ОЛН).

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 ).

Рис. 5. Доменная структура кремнистого железа: а - на поверхности, почти параллельной плоскости (100), замыкающие домены имеют вид "ёлочек"; б - на поверхности (110), с к-рой ось лёгкого намагничивания [100] составляет небольшой угол, замыкающие домены имеют каплевидную форму (стрелками на поясняющей схеме показано направление намагниченности доменов).