ДОМЕНЫ

ДОМЕНЫ

       

(от франц. domaine — владение; область, сфера), области химически однородной среды, отличающиеся электрич., магн. или упругими свойствами, либо упорядоченностью в расположении частиц. Соответственно различают антиферромагн. и ферромагн. Д. (см. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ДОМЕНЫ), сегнетоэлоктрич. Д., Д. Ганна, упругие Д., Д. в жидких кристаллах и др.

Домены ферромагнитные, области самопроизвольной намагниченности, намагниченные до насыщения части объёма ферромагнетика, на к-рые он разбивается ниже критич. темп-ры (см. КЮРИ ТОЧКА). Векторы намагниченности Д. в отсутствии внеш. магн. поля ориентированы т. о., что результирующая намагниченность ферромагн. образца в целом, как правило, равна нулю.

Рис. 1. Порошковые фигуры на поверхности кристалла кремнистого железа; видны границы доменов в объёме образца и замыкающих доменов у его поверхности. Стрелками показано направление намагниченности доменов.

Обычно Д. имеют размеры =10-3— 10-2 см, они доступны непосредств. наблюдению (при помощи микроскопа): если покрыть поверхность ферромагнетика слоем суспензии, содержащей ферромагн. порошок, то ч-цы порошка осядут в основном на границах Д. и обрисуют их контуры (рис. 1). Широко применяют и др. методы исследования доменной структуры, в частности магнитооптический, обладающий большей разрешающей способностью (используют Керра эффект, Фарадея эффект и т. д.). Разбиение ферромагнетика на Д. объясняется след. причинами. Если бы весь ферромагнетик был намагничен до насыщения в одном направлении, то на его поверхности возникли бы магн. полюсы и в окружающем пр-ве было бы создано магн. поле. На это потребуется больше энергии, чем на разбиение ферромагнетика на Д., при к-ром магн. поле вне образца отсутствует (магн. поток замыкается внутри образца). При неизменном объёме и пост. темп-ре в ферромагнетике реализуются лишь такие доменные структуры, для к-рых свободная энергия минимальна.

Общим термодинамич. критерием равновесного распределения самопроизвольной намагниченности в ферромагнетике (его доменной структуры) явл. миним. значение полного термодинамич. потенциала ферромагн. образца. Этот потенциал сложно зависит от внеш. условий — темп-ры, упругих напряжений, внеш. эл.-магн. полей, структурного состояния образца, его формы и размеров. Из-за сложности определения термодинамич. потенциала в общем случае задача о доменной структуре решается последовательным расчётом отд. элементов доменной структуры (граничных слоев между Д., внутр. дефектов и т. д.). Направление векторов намагниченности Д. обычно совпадает с направлением осей лёгкого намагничивании. В этом случае для ферромагнетика выполняется условие минимума энергии магнитной анизотропии. При уменьшении размеров ферромагнетика до нек-рой критич. величины разбиение на Д. может стать энергетически невыгодным, образуется т. н. однодоменная структура: каждая ферромагн. ч-ца представляет собой один Д. На практике это реализуется в ферромагн. порошковых материалах в ряде гетерогенных сплавов (см. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОДНОДОМЕННЫЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ).

Домены сегнетоэлектрические, области однородной спонтанной поляризациии в сегнетоэлектриках. Размеры Д. обычно =10-5—10-3 см. Д. разделены переходной областью (доменная граница или стенка) толщиной 10-5— 10-7 см.

На поверхности кристалла Д. можно наблюдать методами травления и порошков (скорости травления и осаждения мелких ч-ц в местах выхода на поверхность различно поляризованных Д. различны). Оптич. методы наблюдения основаны на том, что в разных Д. нек-рые оптич. постоянные кристалла могут иметь противоположные знаки (напр., угол, к-рый составляет гл. ось эллипсоида показателей преломления света с плоскостью доменной границы; (см. КРИСТАЛЛОПТИКА).

Рис. 2. Микрофотография доменов сегнетовой соли в поляризованном свете. Тёмные и светлые области соответствуют доменам с противоположным направлением спонтанной поляризации, перпендикулярной к плоскости рисунка.

В поляризов. свете одни Д. выглядят светлее, другие — темнее (рис. 2). Различие оптич. свойств Д. можно вызвать искусственно, прикладывая к кристаллу внеш. электрич. поле или упругие напряжения.

Домены Ганна, области с разным уд. электрич. сопротивлением и разной напряжённостью электрич. поля, на к-рые расслаивается однородный полупроводник с N-образной вольт-амперной хар-кой в достаточно сильном внеш. электрич. поле (см. ГАННА ЭФФЕКТ).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ДОМЕНЫ

в кристаллах (от франц. domaine - владение) - области кристалла с однородной атомно-кристаллич. или магн. структурами закономерным образом повёрнутыми или (и) сдвинутыми относительно друг друга. Напр., повёрнутые относительно друг друга кристаллич. Д. являются компонентами двойников (см. Двойникование); Д., структуры к-рых лишь сдвинуты относительно друг друга, наз. а н т и ф а з н ы м и. <Образование доменов связано с фазовым переходом кристалла в состояние с более низкой симметрией. При этом возможно возникновение неск. физически эквивалентных вариантов менее симметричной структуры, по-разному ориентированных или (и) сдвинутых относительно структуры исходной фазы. Структуры разл. Д. связаны между собой операциями симметрии, соответствующими элементам симметрии, утраченным при фазовом переходе (см. Симметрия кристаллов). Менее симметричная фаза является более упорядоченной, чем исходная высокосимметричная, и Д. <различаются направлением вектора h (или тензора), описывающего порядок в несимметричной фазе (параметр порядка). Напр., при ферромагн. переходе таким вектором является вектор спонтанной намагниченности (или магн. момент) М, при сегнетоэлектрич. переходе- спонтанная поляризация при деформационных переходах - тензор спонтанной деформации (см. Домены упругие). Если в исходном кристалле имеется только одна возможная кристаллография, ось, вдоль к-рой может располагаться вектор h, то симметричная фаза с

Рис. 1. Зависимость свободной энергии F однородного кристалла от параметра порядка h = М и ниже темп-ры фазового перехода Т _с первого (а) и второго (б) рода; два минимума, соответствуют состояниям с взаимно противоположным направлением М.h=0 может перейти в два эквивалентных состояния с bh (рис. 1), к-рые, сосуществуя в одном кристалле, образуют Д. с взаимно противоположным направлением вектора h(180°-ные Д.).Напр., при фазовом переходе тетрагонального парамагнетика в ферромагнетик с одной осью спонтанной намагниченности кристаллич. структура не меняется, а магн. симметрия понижается; возможны 2 противоположных направления намагниченности M. Существуют, т. о., ферромагн. Д. с противоположными направлениями намагниченности. При ферромагн. переходе из кубич. фазы понижается не только магнитная, но и атомно-кристаллич. симметрия. Если спонтанная намагниченность направлена вдоль осп 4-го порядка, то существуют Д. с 6 разл. направлениями спонтанной намагниченности. Анализ с помощью теории групп позволяет определить все возможные виды Д. при любом фазовом переходе. <Граница домена представляет собой область, в к-рой происходит постепенный переход от структуры одного Д. к структуре соседнего. Толщина её определяется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, любое промежуточное состояние между состояниями стабильных Д. имеет повышенную энергию; поэтому переходный слой должен был бы иметь мин. толщину. С др. стороны, резкие изменения структуры энергетически невыгодны. Характерная толщина доменной границы ( доменной стенки )зависит от типа фазового перехода: она составляет, напр., сотни и тысячи межатомных расстояний в случае ферромагн. Д. и равна лишь неск. межатомным расстояниям для Д., отличающихся атомно-кристаллич. структурой. Энергетич. характеристикой равновесных доменных границ является их поверхностная энергия s, к-рая заключена в интервале от единиц до сотен эрг/см ².Доменная структура (набор, размеры, форма и взаимное расположение Д.) отражает особенности развития фазового перехода в реальном кристалле, в частности независимое начало перехода из разных точек кристалла. В общем случае структура является неравновесной и имеет нерегулярный характер. Но если образование новой фазы сопровождается появлением дальнодействующих полей, возможно формирование равновесной доменной структуры, отвечающей минимуму энергии кристалла. Появление спонтанной намагниченности или поляризации сопровождается возникновением магн. и электрич. поля. Их источники - магн. полюсы или связанные электрич. заряды - расположены наповерхности, ограничивающей область однородной упорядоченной фазы. Если новая кристаллич. фаза находится в контакте со старой, то на их границе возникают источники упругих напряжений. Магн., электрич. или упругие поля распространяются на весь объём, занимаемый однородной фазой. Их энергия Eпропорциональна объёму V фазы: E=ФеV, где е - плотность энергии поля, пропорц. квадрату спонтанной намагниченности, поляризации или деформации, Ф - коэф., зависящий от формы области (размагничивающий фактор или деполяризующий множитель). Разбиение однородной фазы на Д. приводит к чередованию знакопеременных источников. Интерференция полей ослабляет или уничтожает результирующее поле на расстоянии,

превышающем расстояние между ближайшими источниками противоположного знака. Поле сосредоточивается в приграничном слое, и его энергия снижается до величины E=ФеDS, где S - площадь граничной поверхности, D - толщина приграничного слоя, примерно равная толщине Д. <На рис. 2, а, представлено поле плоскопараллельной пластины, протяжённость к-рой во много раз больше её толщины h. Дальнодействующее поле однородно и сосредоточено внутри пластины. В результате разбиения пластины на Д. поле в пластине исчезает, за исключением приповерхностного слоя толщиной D (рис. 2, б), равной расстоянию между источниками разного знака, т. е. примерно толщине Д. При образовании Д. энергия поля уменьшается по сравнению с однородным монодоменным состоянием в h/D раз. Уменьшение энергии дальнодействующего поля при преобразовании его в приграничное короткодействующее и есть термодина-мич. причина разбиения кристалла на Д. <Чем меньше Д., тем меньше протяжённость и энергия короткодействующего поля, но тем больше число доменных границ в единице объёма. Конкуренция энергии короткодействующего поля и поверхностной энергии доменных границ приводит к установлению равновесного размера Д. D₀. Для пластины D₀@(sh/е)^1/2. При достаточно малых размерах области упорядоченной фазы h разбиение на Д. энергетически невыгодно и равновесным является монодоменное состояние. <Схема плоскопараллельных Д. реализуется в пластине в случае одноосных ферромагнетиков или сегнетоэлектриков, она также типична для упругих Д. В общем случае доменная структура может включать в себя Д. мн. типов (см. Магнитная доменная структура).
Действие внешних полей. Во внеш. поле Д. становятся энергетически неэквивалентными: более благоприятно ориентированные относительно внеш. поля Д. "растут" за счёт менее энергетически выгодных. Это приводит к возникновению внутр. поля, компенсирующего действие внеш. ноля. Устанавливается новая доменная структура, соответствующая данному значению внеш. поля. При нек-ром значении внеш. однородного поля тело переходит в монодоменное состояние. Эволюция доменной структуры во внеш. поле лежит в основе изменения намагниченности или электрич. поляризации под действием магн. или электрич. поля, а деформац. поведение сегнетоэластиков определяется развитием их доменной структуры в неоднородных полях механич. напряжении (в однородном поле для нестеснённого кристалла равновесным является монодоменное состояние).Кинетика образования доменной структуры и её изменения во внеш. полях определяется подвижностью доменных границ, а также процессами зарождения новых Д. Взаимодействие доменных границ с периодич. полем кристаллич. решётки, с дефектами и неоднородностями кристалла, а также с др. доменными границами приводит к "трению", к-рое испытывают границы при своём перемещении. Это трение проявляется в необратимости изменения доменной структуры во внеш. полях - между изменением суммарной намагниченности, поляризации или деформации, наблюдаемых при увеличении поля, и изменением тех же величин, но при уменьшении поля. Наблюдается гистерезис, зависящий от темп-ры, скорости изменения поля, примесей и дефектности материала (см. Гистерезис магнитный. Гистерезис сегнетоэлектрический, Гистерезис упругий). Лит.: Л а н д а у Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., К теории Дисперсной магнитной проницаемости ферромагнитных тел [19351, в кн.: Ландау Л. Д., Собр. трудов, т. 1, М., 1969; их же, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982; Ройтбурд А. Л., Теория формирования гетерофазной структуры при фазовых превращениях в твердом состоянии, "УФН", 1974, т. 113, с. 69; X у б е р т А., Теория доменных стенок в упорядоченных средах, пер. с нем., М., 1977.А. Л. Ройтбурд, А. П. Леванюк.

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