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).

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).

Переменное магн. поле дестабилизирует М. д. с. Напр., в поле, поляризованном вдоль ОЛН, доменные стенки колеблются около своего положения равновесия. С увеличением частоты колебаний v поля Н - при фиксир. значении амплитуды индукции или с увеличением при фиксир. частоте возможно дробление доменов. Эффект наблюдался, напр., в монокристаллич. пластинах кремнистого железа (97% Fe - 3% Si) на частотах Гц и Тл. ДС в процессе движения могут изгибаться, а их внутр. структура - перестраиваться, напр. за счёт образования вертик. и горизонтальных Блоха линий.

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.

Магнитоупорядоченному состоянию АФМ соответствует значение В связи с этим на поверхностях АФМ нет магнитостатич. полюсов. Тем не менее в них, как и в ФМ, существует М. д. с. Смежные домены в АФМ могут отличаться направлением вектора антиферромагнетизма L (т. н. S -домены), а также направлениями L и одной из главных осей тензора деформации ( Т -домены, или двойниковые домены). Деформация АФМ, приводящая к образованию двойниковой М. д. с., возникает ниже Нееля точки T_N. Как и в ФМ, между доменами в АФМ существуют ДС (180-, 120-, 90-градусные и др.).

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.

В антиферромагнетиках со слабым ферромагнетизмом (СФМ) домены могут отличаться ориентацией векторов L и М, причём возможны две ситуации. В первой из них переход от домена к домену осуществляется путём поворота L и М. Такие ДС реализуются, напр., в Во втором случае в ДС происходит поворот вектора L и постепенное уменьшение по абс. величине вектора М до нуля в центре ДС и последующий его рост от нуля до - М на участке от центра ДС до соседнего домена (пример - YFeO₃). М. д. с. в СФМ может образовываться за счёт уменьшения энергии магнитостатич. полюсов на поверхностях кристалла. Во многом М. д. с. в СФМ похожа на М. д. с. в ФМ.

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.

В. Н. Филиппов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.