Доменная структура ферромагнитных материалов

Магнитный домен - область вещества, в пределах которой все нескомпенсированные электронные спины атомов ориентированы в одном направлении.

Домены разделены доменными стенками, имеющие толщину и энергию, связанную с их формированием и существованием. На рис. 3 - примеры конфигураций доменов в ферромагнетиках.

Рис. 3.

При приложении внешнего магнитного поля магнитный момент может увеличиваться в результате движения доменных стенок (в слабых магнитных полях) или вращения вектора намагниченности (в сильных полях) (рис. 4).

Рис. 4.

Кривая намагничивания со схематичным изображением доменной структуры на каждой стадии намагничивания представлена на рис. 5. В размагниченном состоянии домены распределены хаотически, так что средняя намагниченность равна нулю. При приложении магнитного поля домен, намагниченность кото­рого ближе всего к направлению поля, начинает расти за счет других доменов благодаря движению доменных стенок. Поскольку на первой стадии намагничивания перемещение стенок является обратимым, то при удалении поля намагниченность проходит тот же путь, и материал возвращается в размагниченное состояние, а магнитного гистерезиса не наблюдается.

Рис. 5.

Свободному движению доменных стенок препятствуют дефекты решетки или дислокации, а объединенная магнитостатическая энергия, которой обладают несовершенства кристалла, обуславливает гистерезис магнитных свойств и определяет коэрцитивную силу материала. Увеличение внешнего поля выше значения Нс будет приводить к полному устранению доменных стенок из образца с образованием единого домена, намагниченность которого направлена вдоль оси легкого намагничивания. Дальнейший рост намагниченности проис­ходит только путем вращения вектора магнитного момента от направления оси легкого намагничивания в направлении приложенного поля. В кристаллах с высокой магнитокристаллической анизотропией для достижения насыщения требуются большие поля.

При уменьшении внешнего поля вектор магнитного момента частицы возвращается в положение вдоль оси легкого намагничи­вания, и магнитный момент в направлении, параллельном приложенному полю, уменьшается. Поскольку вращение магнитного момента не связано с движе­нием доменных стенок, то этот процесс является полностью обратимым. Далее размагничивающее поле в образце инициирует рост магнитных доменов, чтоприводит к частичному размагничи­ванию образца. Однако из-за рассеяния энергии на дефектах решетки доменные стенки не возвращаются в исходное положение, в результате чего кривая намагниченности проявляет гистерезисное поведение, а образец остается намагни­ченным даже при полном устранении поля. Коэрцитивная сила определяется как дополнительное магнитное поле, которое нужно приложить в противопо­ложном направлении, чтобы уменьшить намагниченность образца до нуля.

Магнитные свойства многодоменных материалов во многом определяются динамикой доменных стенок. Образование доменной структуры в объемных веществах обусловлено наличием размагничивающего фактора, тогда как при переходе на наноуровень энергия доменной стенки значительно превосходит энергию размагничивания, и формирование доменной структуры оказывается энергетически не выгодным (рис. 6). Характерная зависимость коэрцитивной силы от размера частиц приведена на рис. 7. При уменьшении размера многодоменной частицы подвижность доменных стенок значительно умень­шается, что соответствует росту коэрцитивной силы. Это продолжается до тех пор, пока частица не достигнет однодоменного размера, что соответствует максимальной коэрцитивной силе Н_Стах.

Рис. 6.

Ниже этого критического размера D_crir образование доменных стенок становится энергетически невыгодным, и изменение намагниченности может происходить либо за счет образования стенок в приложенном поле, либо за счет когерентного поворота всех спинов в частице.

Рис. 6.

Критический размер частицы частицы, при котором достигается , оценивается по уравнению

где с – постоянная, зависящая от кристаллической структуры решетки, I – обменная постоянная, z – постоянная решетки, = / - коэффициент размагничивания при напряженности размагничивающего поля .

Для сферических частиц Fe, Co и Ni равно 14 нм, 70 нм и 50 нм.

При дальнейшем уменьшении размера частиц уменьшается до нуля. В совокупности малые частицы ведут себя как парамагнитное вещество с большим магнитным моментом. Вещество переходит в суперпарамагнитное состояние (магнитный фазовый переход второго рода).

Дата добавления: 2014-01-07