Borovik-ES-Eremenko-VV-Milner-AS-Lektsii-po-magnetizmu (1239152), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Следовательно, их полная анизотропии столь мала, что ее величиной можно пренебречь (К! = 0), распределение векторов самопроизвольного намагничивания определяется только минимумом магнитной энергии Иг,„, = (Н, 1„)12, достигаемым при И'„, = О, что возможно лишь при Н, = О. Однако при этом внутри всего кристалла г(1н1, .= О, т.е. весь магнитный поток должен быть замкнут внутри ферромагнетика, а следовательно, равна нулю нормальная составляющая намагниченности 1„к поверхности кристалла: !23 Доменная структура е однооеном ферромагнитном кристалле 165 энергия равна 2к1,!яЬ 1 А К| да~ ~6 = до у а (12.
12) Поскольку в выражениях для энергии переходных слоев, (12.12), и замыкающих областей, (12.1!), заданы все величины, кроме ширины домена е(о, последнюю можно найти из условия минимума суммы указанных энергий: е1о = 2(~1) Оа (12. 13) Существенным является то, что при прочих равных условиях ширина домена до пропорциональна корню квадратному из толщины кристалла (Ь'гэ). Этот вывод был впервые сделан Ландау н Лифшицем [44!.
Расчетная ширина доменов у кобальта при толщине кристалла 1 = = 1 см составляет до = 3 10 з см, т. е. 10в атомных расстояний, при ширине переходной области б = 10 з —: 10 т см, или !Π—: 1Оз атомных расстояний. Для растянутого пермаллоя при Х = 1 см имеем до = — з = 3 10 см при ширине переходного слоя б = 5 10 з см. При повышении температуры, согласно уравнению (12.13), ширина доменов должна расти, так как константа анизотропии при этом уменьшается.
Однако рост ширины доменов (г1о (11К)нл) значительно медленнее роста ширины переходных слоев (б (1/К~)Пз; см. (12.8)). Поэтому в результате повышения температуры ширина переходной области увеличивается, распространяясь на домены и уменьшая их объем. До сих пор рассматривалась доменная структура без внешнего поля.
Рассмотрим, каково будет оказываемое им влияние. Если в направлении, совпадающем с направлением легкого намагничивания, приложено внешнее магнитное поле, то для выяснения размеров доменов, кроме магнитной энергии внутреннего поля и анизотропии, следует учесть энергию взаимодействия с внешним магнитным полем, равную — (Н1е). В доменах, в которых векторы намагничивания совпадают по направлению с внешним полем, энергия взаимодействия с этим полем уменьшается, а в доменах, в которых векторы самопроизвольного намагничивания антипараллельны внешнему полю, она увеличивается. Поэтому первые домены растут за счет вторых, что сопровождается смещением переходных областей (рис. 12.5). Таким образом, ферромагнетик в целом оказывается намагниченным. Его намагниченность равна разности магнитных моментов указанных выше доменов, деленной на объем всего образца.
В присутствии внешнего намагничивающего поля увеличивается нормальная составляющая намагниченности 1„ к поверхности кристалла. Следовательно, появляется поле рассеяния 11, = 4к1„. Гл. 12. Доменная структура феррологнстиков 166 Рис.!2.6. Структура доменов около поверхности голстых кристаллов Рис. 12.5. Схема доменной структуры при наличии магнитного поля Продолжая рассмотрение идеального кристалла, следует отметить, что при достаточно большой его толщине Е объем поверхностных призматических доменов возрастает, а вместе с ними увеличивается и энергия анизотропии.
Е.М. Лифшиц показал, что энергетически выгоднее оказывается тот случай, когда поверхностные призматические домены разбиваются на несколько более мелких (рис. 12.6). При такой структуре энергия анизотропии уменьшается, поскольку уменьшается объем поверхностных доменов, намагниченных перпендикулярно к направлению легкого намагничивания, а зависимость ширины доменов 4 от толщины кристалла Ь изменяется от пропорциональности г(о ЕХа (см. 12.13) до г(о Азгз 1128). Возможно, при еще большей толщине кристалла выгодной будет не плоскопараллельная, а игольчатая или ниточная структура доменов.
Последнее подтверждается экспериментом. Расчеты Е.М. Лифшица показывают, что у кобальтового кристалла игольчатая структура становится выгодной, начиная с «критической» толщины Ь р„, 5.!О ' см, т.е. уже обычные монокристаллы и зерна кобальта должны иметь игольчатую структуру доменов. Вместе с тем, благодаря большой энергии анизотропии кобальта, по-видимому, энергетически выгодно, чтобы часть потока замыкалась и через внешнее пространство; следовательно, на поверхности кобальта должно существовать большое поле рассеяния. Последнее и было обнаружено Джермером в 1942 г.
следующим образом. Под небольшим углом к поверхности кобальтового кристалла направлялся пучок электронов мощностью 30 кВ, который отклонялся у поверхности магнитным полем рассеяния (рис. 12.7,а). По углу отклонения можно было рассчитать поле рассеяния, которое оказалось равным Х = 1О 000 Э. Это указывает на значительное рассеяние магнитного потока вне кристалла. Если бы замыкающих призматических доменов совсем не было, Конечно, следует учесть, что мы рассматривали идеальный кристалл, лишенный каких-либо внутренних неоднородностей, которые в реальных кристаллах могут дополнительно смещать переходные области в ту или иную сторону. 12 3 Доменная структура е одноосном ферромагнитном кристалле 167 поле рассеяния у поверхности должно было бы равняться 77 = 4куг =- =- 4к 1422 =- 17 870 Э.
При малой толщине образца и в не очень сильных магнитных полях выгодна плоскопараллельная структура доменов (Лы Е Ландау, Е.М. Лифшиц, Ч. Киттель). Такие структуры наблюдаются в тонких пластинках и пленках. Их принято называть страйп-структурами а (от англ. з(г(ре — полоса). 1 Нередко встречаются и другие виды доменных структур. Часто наблюдаются так называемые лабиринтные доменные структуры.
Их возникновение возможно благодаря тому, что в одноосной ферромагнитной пластинке (пленке) во внешнем поле, па- д раллельном оси легкого намагничивания, направления доменных границ в плоскости пластинки Рис 12 7. Схема установки для опре(пленки) ничем не фиксированы. деления поля рассеяния у поверхно- В этом случае возможен изгио сти Со (а): 1 — гексагональная по- верхность монокристалла; 2 — фото- доменов, обусловленный малыми пластинка. Фотопластинка со следа- неоднородностями образца, слу- ми от рассеянных алек~ранов (б) чайностью в момент зарождения доменной структуры или эффектами тепловой хаотизации.
В результате возникает сложная доменная структура, напоминающая лабиринт. При наличии анизотропии, наклона оси анизотропии или внешнего магнитного поля к нормали пластинки (пленки) направление доменов фиксируется, что препятствует появлению лабиринтных доменных структур. Еще одно явление имеет место при приближении внешнего магнитного поля Но к величине 4пйао. В этом случае размер доменов с намагниченностью, ориентированной против направления внешнего поля, становится намного меныпе размера доменов, намагниченность которых ориентирована вдоль поля. В результате возникает неустойчивость полосового домена относительно появления перетяжек, и длинный полосовой домен распадается на отдельные цилиндрические домены кругового сечения.
Благодаря дипольному отталкиванию цилиндрические домены отходят друг от друга и более или менее равномерно распределяются по всей поверхности пластинки. Как правило они образуют гексагональную решетку. Число доменов, приходящихся на единицу площади пластинки, зависит от внешнего поля и уменьшается при увеличении его напряженности. В отличие от полосового, отдельный цилиндрический домен может быть устойчивым. Сейчас цилиндрические домены начинают применять в запоминающих устройствах. 168 Гл 12. Доменная структура ферромагнетиков При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля решетка цилиндрических доменов может сохраниться и в слабых полях, вплоть до Но = О. Таким образом, в большом интервале напряженности поля могут существовать независимо, и даже сосуществовать в одном образце, принципиально различные типы доменов (например, лабиринтные и цилиндрические). Это еще один пример влияния предыстории образца.
ф 12.4. Экспериментальное изучение ферромагнитных областей В настоящее время существует несколько методов наблюдения доменов. Рассмотрим некоторые из них. 1 Метод Акунова-Биттера (метод порошковых фигур) В 1931 г. Акулов и Биттер одновременно использовали для обнаружения доменов тот факт, что намагниченные ферромагнитные частицы (диполн) притягиваются к полюсам магнитов. Если два магнита расположены таким образом, что северный полюс одного из них примыкает к южному полюсу другого, указанные частицы оседают на границе между ними. Так как домены представляют собой чрезвычайно маленькие магниты, Акулов применял для их обнаружения суспензию из специально приготовленного очень мелкого ферромагнитного порошка в спирте или керосине. Частицы, оседая на границах между доменами, очерчивают их форму и расположение. В настоящее время техника изготовления суспензни такова, что получаемые частицы имеют размеры порядка 200 †: 1000 А, а состав жидкости более сложен, чем применявшийся вначале (188, 107).
Поскольку размеры доменов миниатюрны, некоторые шероховатости на поверхности образцов могут вести себя, как дополнительные магнитные полюса, на которые будет оседать эмульсия, искажая вид доменной структуры. Поэтому образцы перед исследованием следует тщательно полировать. Оказывается, что не всякая полировка выявляет истинную структуру доменов.
Так, если произвести механическую полировку, то в результате деформации поверхностного слоя на поверхности образуются домены, отличные по структуре от доменов внутри образца. Типичная структура доменов на механически полированной поверхности монокристалла кремнистого железа приведена на рис. 12.8. Для того чтобы получить реальную картину доменной структуры, необходимо удалить верхний деформированный слой.
Сделать это можно с помощью особого вида электролитического травления, получившего название электролитической полировки. В результате подобной обработки на поверхности кристалла железа, совпадающей с плоскостью типа (100), наблюдается доменная структура, предска- )2 4 Эксперимеитальигзе изуяение угерргэмагнитньгх областей !69 ванная Ландау и Лифшицем (рис.
12.9). На рис.!2.10 приведены полученные порошковым методом доменные структуры кобальта. Рис !2.8 Порошковые фигуры иа ме- Рис 12 9. Доменная структура иа ханически полированной поверхности поверхности (!00) монокристалла монокристалла кремнистого железа железа Рис !210 Порошковые фигуры на поверхностях кристалла кобальта и) па- раллельно и б) перпендикулярно гексагональной оси Бозорт и Вильямс показали, что порошковым методом можно определить направление вектора намагничивания в доменах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
