Магнитный домен — это область внутри магнитного материала, в которой намагниченность имеет однородное направление. Это означает, что отдельные магнитные моменты атомов выровнены друг с другом и направлены в одном направлении. При охлаждении ниже температуры, называемой температурой Кюри , намагниченность куска ферромагнитного материала самопроизвольно разделяется на множество небольших областей, называемых магнитными доменами. Намагниченность внутри каждого домена направлена в одном направлении, но намагниченность разных доменов может указывать в разных направлениях. Магнитная доменная структура отвечает за магнитное поведение ферромагнитных материалов, таких как железо , никель , кобальт и их сплавы , а также ферримагнитных материалов, таких как феррит . Сюда входит образование постоянных магнитов и притяжение ферромагнитных материалов к магнитному полю. Области, разделяющие магнитные домены, называются доменными стенками , где намагниченность когерентно вращается от направления в одном домене к направлению в следующем домене. Исследование магнитных доменов называется микромагнетизмом .
Магнитные домены образуются в материалах, обладающих магнитным упорядочением ; то есть их диполи самопроизвольно выравниваются за счет обменного взаимодействия . Это ферромагнитные , ферримагнитные и антиферромагнитные материалы. Парамагнетики и диамагнетики , в которых диполи выравниваются под действием внешнего поля, но не выравниваются самопроизвольно, не имеют магнитных доменов.
Теорию магнитных доменов разработал французский физик Пьер-Эрнест Вайс [1] , который в 1906 году предположил существование магнитных доменов в ферромагнетиках. [2] Он предположил, что большое количество атомных магнитных моментов (обычно 10 12 -10 18 ) [ нужна ссылка ] выровнены параллельно. Направление выравнивания варьируется от домена к домену более или менее случайным образом, хотя определенные кристаллографические оси могут быть предпочтительными для магнитных моментов, называемых легкими осями. Вейсу еще предстояло объяснить причину спонтанного выравнивания атомных моментов внутри ферромагнитного материала, и он придумал так называемое среднее поле Вейсса. Он предположил, что данный магнитный момент в материале испытывает очень высокое эффективное магнитное поле He из- за намагничивания его соседей. В исходной теории Вейсса среднее поле было пропорционально объемной намагниченности M , так что
Позднее квантовая теория позволила понять микроскопическое происхождение поля Вейсса. Обменное взаимодействие между локализованными спинами способствовало параллельному (в ферромагнетиках) или антипараллельному (в антиферромагнетиках) состоянию соседних магнитных моментов.
Причина, по которой кусок магнитного материала, такого как железо, самопроизвольно разделяется на отдельные домены, а не существует в состоянии с намагниченностью в одном направлении по всему материалу, заключается в минимизации его внутренней энергии. [3] Большая область ферромагнитного материала с постоянной намагниченностью повсюду создаст большое магнитное поле , простирающееся в пространство снаружи (диаграмма а, справа) . Для этого требуется много магнитостатической энергии , запасенной в поле. Чтобы уменьшить эту энергию, образец можно разделить на два домена с намагниченностью в противоположных направлениях в каждом домене (диаграмма б справа) . Линии магнитного поля проходят петлями в противоположных направлениях через каждый домен, уменьшая поле вне материала. Чтобы еще больше уменьшить энергию поля, каждый из этих доменов также может расщепиться, в результате чего образуются меньшие параллельные домены с намагниченностью в чередующихся направлениях и с меньшим количеством поля вне материала.
Доменная структура реальных магнитных материалов обычно не формируется в результате разделения больших доменов на более мелкие, как описано здесь. Например, когда образец охлаждается ниже температуры Кюри, просто появляется равновесная конфигурация домена. Но домены могут расщепляться, и описание расщепления доменов часто используется для выявления энергетических компромиссов при формировании доменов.
Как объяснялось выше, слишком большой домен нестабильен и будет делиться на более мелкие домены. Но достаточно маленький домен будет стабильным и не расколется, и это определяет размер доменов, создаваемых в материале. Этот размер зависит от баланса нескольких энергий внутри материала. [3] Каждый раз, когда область намагниченности разделяется на два домена, между доменами создается доменная граница , в которой соседствуют магнитные диполи (молекулы) с намагниченностью, направленной в разные стороны. Обменное взаимодействие , создающее намагниченность, представляет собой силу, которая стремится выровнять близлежащие диполи так, чтобы они были направлены в одном направлении. Чтобы заставить соседние диполи указывать в разных направлениях, требуется энергия. Следовательно, доменная стенка требует дополнительной энергии, называемой энергией доменной стенки , которая пропорциональна площади стенки.
Таким образом, чистая сумма, на которую уменьшается энергия при расщеплении домена, равна разнице между сохраненной энергией магнитного поля и дополнительной энергией, необходимой для создания доменной стенки. Энергия поля пропорциональна кубу размера домена, а энергия доменной стенки пропорциональна квадрату размера домена. Таким образом, по мере того, как домены становятся меньше, чистая энергия, сэкономленная за счет расщепления, уменьшается. Домены продолжают делиться на более мелкие домены до тех пор, пока энергетические затраты на создание дополнительной доменной стенки не станут равны сэкономленной энергии поля. Тогда домены такого размера стабильны. В большинстве материалов домены имеют микроскопические размеры — около 10–4–10–6 мкм . [4] [5] [6]
Дополнительным способом дальнейшего снижения магнитостатической энергии материала является формирование доменов с намагниченностью под прямым углом к другим доменам (диаграмма c, справа) , а не просто в противоположных параллельных направлениях. [3] Эти домены, называемые доменами замыкания потока , позволяют силовым линиям поворачиваться на 180° внутри материала, образуя замкнутые петли полностью внутри материала, снижая магнитостатическую энергию до нуля. Однако формирование этих доменов требует двух дополнительных энергетических затрат. Во-первых, кристаллическая решетка большинства магнитных материалов обладает магнитной анизотропией , то есть имеет «легкое» направление намагничивания, параллельное одной из осей кристалла. Изменение намагниченности материала в любое другое направление требует дополнительной энергии, называемой « энергией магнитокристаллической анизотропии ».
Другая затрата энергии на создание доменов с намагниченностью под углом к «легкому» направлению вызвана явлением, называемым магнитострикцией . [3] Когда намагниченность куска магнитного материала изменяется в другом направлении, это вызывает небольшое изменение его формы. Изменение магнитного поля заставляет молекулы магнитного диполя слегка менять форму, делая кристаллическую решетку длиннее в одном измерении и короче в других измерениях. Однако, поскольку магнитный домен «сжат», а его границы жестко удерживаются окружающим материалом, он фактически не может изменить форму. Вместо этого изменение направления намагничивания вызывает в материале крошечные механические напряжения , требующие больше энергии для создания домена. Это называется « энергией магнитоупругой анизотропии ».
Для формирования этих замыкающих доменов с «боковой» намагниченностью требуется дополнительная энергия из-за вышеупомянутых двух факторов. Таким образом, домены замыкания потока будут формироваться только там, где сохраненная магнитостатическая энергия превышает сумму «обменной энергии» для создания доменной стенки, энергии магнитокристаллической анизотропии и энергии магнитоупругой анизотропии. Поэтому большую часть объема материала занимают домены с намагниченностью либо «вверх», либо «вниз» по «легкому» направлению, а домены замыкания потока образуются лишь на небольших участках на краях остальных доменов, где они находятся. необходимо обеспечить путь для изменения направления линий магнитного поля (диаграмма c выше) .
Вышеописанное описывает магнитную доменную структуру в идеальной кристаллической решетке, например, в монокристалле железа. Однако большинство магнитных материалов являются поликристаллическими и состоят из микроскопических кристаллических зерен. Эти зерна — это не то же самое, что домены. Каждое зерно представляет собой маленький кристалл, кристаллические решетки отдельных зерен которого ориентированы в произвольных направлениях. В большинстве материалов каждое зерно достаточно велико, чтобы содержать несколько доменов. Каждый кристалл имеет «легкую» ось намагничивания и разделен на домены с осью намагничивания, параллельной этой оси, в чередующихся направлениях.
Из приведенного выше обсуждения видно, что, хотя в микроскопическом масштабе почти все магнитные диполи в куске ферромагнитного материала выстроены параллельно своим соседям в доменах, создавая сильные локальные магнитные поля, минимизация энергии приводит к доменной структуре, которая минимизирует крупномасштабное магнитное поле. В состоянии с самой низкой энергией намагниченность соседних доменов направлена в разных направлениях, ограничивая силовые линии микроскопическими петлями между соседними доменами внутри материала, поэтому объединенные поля компенсируются на расстоянии. Следовательно, объемный кусок ферромагнитного материала в самом низком энергетическом состоянии практически не имеет внешнего магнитного поля. Говорят, что материал «ненамагничен».
Однако домены могут существовать и в других конфигурациях, в которых их намагниченность направлена в основном в одном направлении, создавая внешнее магнитное поле. Хотя это не конфигурации с минимальной энергией, из-за явления, когда доменные стенки «прикрепляются» к дефектам кристаллической решетки, они могут быть локальными минимумами энергии и, следовательно, могут быть очень стабильными. Приложение внешнего магнитного поля к материалу может заставить доменные стенки двигаться, в результате чего домены, ориентированные по полю, растут, а противоположные домены сжимаются. Когда внешнее поле удаляется, доменные стенки остаются закрепленными в своей новой ориентации, и выровненные домены создают магнитное поле. Вот что происходит, когда кусок ферромагнитного материала «намагничивается» и становится постоянным магнитом .
Нагревание магнита, воздействие на него вибрации ударами молотка или приложение быстро колеблющегося магнитного поля от размагничивающей катушки имеет тенденцию вытягивать доменные границы из их закрепленных состояний, и они возвращаются к конфигурации с более низкой энергией и меньшим внешним магнитным полем. , тем самым « размагничивая » материал.
Вклад различных факторов внутренней энергии, описанных выше, выражается уравнением свободной энергии, предложенным Львом Ландау и Евгением Лифшицем в 1935 году [7] , которое составляет основу современной теории магнитных доменов. Доменная структура материала – это такая структура, которая минимизирует свободную энергию Гиббса материала. Для кристалла магнитного материала это свободная энергия Ландау-Лифшица E , которая представляет собой сумму этих энергетических членов: [8]
где
Некоторые источники определяют энергию стенки E W , равную сумме обменной энергии и энергии магнитокристаллической анизотропии, которая заменяет E ex и E k в приведенном выше уравнении.
Стабильная доменная структура — это функция намагничивания M ( x ), рассматриваемая как непрерывное векторное поле , которая минимизирует полную энергию E во всем материале. Для нахождения минимумов используется вариационный метод , в результате которого получается набор нелинейных дифференциальных уравнений , названных уравнениями Брауна в честь Уильяма Фуллера Брауна-младшего. Хотя в принципе эти уравнения могут быть решены для стабильных конфигураций области M ( x ), на практике только можно решить простейшие примеры. Аналитических решений не существует, а численные решения, рассчитанные методом конечных элементов, вычислительно трудноразрешимы из-за большой разницы в масштабе между размером области и размером стенки. Поэтому в микромагнетике были разработаны приближенные методы, которые предполагают, что намагниченность диполей в объеме домена, вдали от стенки, направлена в одном направлении, а численные решения используются только вблизи доменной стенки, где намагниченность быстро меняется. .
Существует ряд методов микроскопии, которые можно использовать для визуализации намагниченности на поверхности магнитного материала и выявления магнитных доменов. Каждый метод имеет свое применение, поскольку не все домены одинаковы. В магнитных материалах домены могут быть круглыми, квадратными, неправильными, вытянутыми и полосатыми, причем все они имеют разные размеры и размеры.
Большие домены в диапазоне 25–100 микрометров можно легко увидеть с помощью микроскопии Керра , в которой используется магнитооптический эффект Керра , который представляет собой вращение поляризации света , отраженного от намагниченной поверхности.
Лоренцева микроскопия — это набор методов просвечивающей электронной микроскопии , используемых для изучения магнитных доменных структур вплоть до наномасштаба. [9] Наиболее распространенные методы включают режим Френеля, режим Фуко и малоугловую дифракцию электронов (LAD) в режиме TEM с параллельным лучом и дифференциальный фазовый контраст (DPC) в режиме сканирования TEM. Внеосевая электронная голография — это родственный метод, используемый для наблюдения магнитных структур путем обнаружения наноразмерных магнитных полей.
Другим методом просмотра субмикроскопических доменных структур размером до нескольких нанометров является магнитно-силовая микроскопия . МСМ — это разновидность атомно-силовой микроскопии , в которой для сканирования поверхности образца используется наконечник зонда с магнитным покрытием.
Паттерны Биттера — это метод визуализации магнитных доменов, который впервые наблюдал Фрэнсис Биттер . [10] Этот метод предполагает размещение небольшого количества феррожидкости на поверхности ферромагнитного материала. Феррожидкость располагается вдоль стенок магнитных доменов , которые имеют более высокий магнитный поток, чем области материала, расположенные внутри доменов. Модифицированная технология Биттера была включена в широко используемое устройство, устройство для просмотра доменов большой площади, которое особенно полезно при исследовании кремниевых сталей с ориентированной зеренной структурой . [11]
