CC BY
269
ФЕРРОМАГНЕТИКИ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ: СХОДСТВО И РАЗЛИЧИЯ
© Манаков Н.А.*, Макаров В.Н.*, Чакак А.А.*
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Проведено сравнение свойств ферромагнетиков и сегнетоэлекгриков связанных с образованием доменной структуры. Отмечены возможные общие подходы к изучению их фундаментальных и прикладных свойств. Подчеркнуто важное значение различия природы ферромагнетизма и сегнетоэлектричества.
Ключевые слова ферромагнетики, сегнетоэлектрики, доменная структура, гистерезисные кривые, анизотропия, синергетика.
Ферромагнетики и сегнетоэлектрики находят широкое применение в различных областях техники. Их практическое использование обусловлено, как правило, образованием в них доменной структуры. Образование доменной структуры выделяет их из общего ряда магнетиков и диэлектриков и определяет их отличительные особенности [1-5]. Такие, например, как нелинейность и неоднозначность зависимостей намагниченности (М) и поляризации (Р) от напряженности внешнего магнитного (Н) и электрического полей (Е), соответственно. Или влияние предыстории образца на процессы переключения, поляризации и намагничивания (см. рис. 1).
Рис. 1. Кривая начальной поляризации и петля гистерезиса сегнетоэлектрика (Рс - остаточная поляризация, Ес - коэрцитивная сила) и гистерезисные кривые при циклическом увеличении магнитного поля быстрозакаленного микрокристаллического сплава в^о5 (предварительно образец термически размагничивался) [6, 7]
* Профессор кафедры Общей физики, доктор физико-матеатических наук, профессор.
* Ведущий инженер кафедры Общей физики. " Доцент кафедры Общей физики.
Сходство отличительных особенностей ферромагнетиков и сегнетоэлек-триков дает основания для построения различного рода аналогий между ними. При этом часто игнорируется разная природа спонтанной намагниченности и спонтанной поляризации. Магнитные домены образуются благодаря квантомеханическому обменному взаимодействию между спинами соседних атомов, а в основе образования диэлектрических доменов лежит электростатическое взаимодействие между поляризованными ионами [1, 3]. Энергию обменного взаимодействия можно оценить по температуре Кюри (Тс) ферромагнетика: кТс ~ 1,38^10"2М03 = 13,8^10"21 Дж. А энергию электростатического взаимодействия по энергии взаимодействия однозарядных
е2 19
ионов: и = --» 13 эВ = 20,8-10"19 Дж.
4же0 г
В связи с этим встает вопрос о возможности использования принципа подобия при изучении ферромагнетиков и сегнетоэлектриков. Для ответа на этот вопрос необходимо последовательное сравнение исключительных свойств ферромагнетиков и сегнетоэлектриков.
Доменная структура в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках существует в определенном интервале температур. При повышении температуры выше Тс наблюдается переход из упорядоченного состояния магнитных (дипольных) моментов в неупорядоченное. Как правило, это переход второго рода, иногда в случае сегнетоэлектриков - первого рода. Выше температуры Кюри ферромагнетики и сегнетоэлектрики ведут себя как обычные парамагнетики и диэлектрики, а их магнитная и диэлектрическая проницаемости подчиняются закону Кюри-Вейсса [4]. Причем вблизи температуры Кюри поведение ферромагнетиков можно рассматривать в рамках феноменологической (термодинамической) теории развитой для сегнетоэлектриков [8].
При понижении температуры ниже Тс в ферромагнетиках и сегнето-электриках устанавливается спонтанный порядок в ориентации спиновых магнитных моментов атомов и дипольных электрических моментов элементарных ячеек, соответственно. Причем спонтанная поляризация происходит в результате структурного фазового превращения. Макроскопические области, в пределах которых формируется спонтанный порядок, называют доменами (точнее магнитными и диэлектрическими доменами).
Характер разбиения кристаллов ферромагнетика или сегнетоэлектрика на домены (их размеры и ориентация) обусловлен условием минимизации энергии размагничивающих и деполяризующих полей и их кристаллографической анизотропией [см. например: 1, 2, 9, 10].
Кристаллографическая анизотропия определяет наличие у кристалла осей легкого и трудного намагничивания (поляризации). В отсутствии внешнего магнитного (электрического) поля домены ориентируются вдоль осей легкого намагничивания. Доменные структуры ферромагнетиков и сегнето-электриков отличаются большим разнообразием и зависят как от основных
параметров материала, так и от формы образцов. Доменная структура часто приобретает фрактальный характер, а процесс ее формирования и перестройки напоминает процессы самоорганизации в неживой природе.
Рис. 2. Ветвление доменной структуры у поверхности одноосного
кристалла сегнетоэлектрика [3] и вид доменной структуры, обусловленный таким ветвлением ферромагнитного монокристалла Ш2РеиВ на плоскости (001) [11]
Рис. 3. Кривая намагничивания 1 и петля магнитного гистерезиса 2 и 3 ферромагнетика (Мм - максимальная намагниченность, МЯ - остаточная намагниченность, Нс - коэрцитивная сила)
При циклическом изменении внешнего магнитного (электрического) поля у ферромагнетиков (сегнетоэлектриков) наблюдается гистерезис, который характеризуется петлей гистерезиса (см. рис. 1 и рис. 3).
Процесс переключения ферромагнетиков и сегнетоэлектриков осуществляется с помощью одинаковых механизмов: образования обратных доменов, их роста за счет смещения доменных границ и вращения магнитных (дипольных) моментов доменов на заключительной стадии.
На основе минимизации свободной энергии кристалла основаны методы моделирования доменных структур и распределения намагниченности в
различных ферромагнитных системах, а также их изменение под действием магнитного поля [см., например: 9-23 и др.].
Домены в кристалле разделяются доменными границами (ДГ). В зависимости от кристаллической симметрии и топологии образцов в ферромагнетиках формируются Блоховские, Неелевские и комбинированные ДГ с разворотом магнитных моментов на 180 и 90 градусов. Ширина доменных границ зависит от констант обменного взаимодействия и магнитной анизотропии и варьируется примерно от 5 до 100 нм. Размер ферромагнитных доменов в основном зависит от размеров образца и изменяется в пределах от ~0,5 до ~100 мкм. Размеры сегнетоэлектрических доменов составляют 0,1-10 мкм, а ширина ДГ между ними - 1-100 нм. Характер ориентации магнитных (дипольных) моментов в ДГ, да и в образце в целом в конечном итоге определяется из условия минимума свободной энергии кристалла.
На рис. 4 схематично показана структура Блоховской доменной границы ферромагнетика и ДГ сегнетоэлектрика.
Следует заметить, что анизотропия в ферромагнетиках и сегнетоэлек-триках связана с диполь-дипольным взаимодействием, т.е. имеет одинаковую природу. Но в ферромагнетиках она реализуется благодаря спин-орбитальному взаимодействию и имеет относительно небольшие значения. Для большинства же сегнетоэлектриков энергия анизотропии очень велика, что делает невыгодным структуру стенки поворотного типа, аналогичную ферромагнетикам [24], где вектор намагниченности, не меняя своей длины в каждой точке границы, поворачивается в пределах границы в данном случае на 180 градусов. При высокой энергии анизотропии пространственное изменение вектора поляризации Р в границе связано с изменением его модуля |Р| = Pz = Р(х). Только в отдельных случаях возможно образование в сегне-тоэлектриках границ поворотного типа [2].
Таким образом, принципиальное отличие доменных границ заключается в том, что в ферромагнетиках граница имеет результирующий магнитный момент перпендикулярный направлению магнитных моментов доменов, а
Рис. 4. Структура Блоховской ДГ ферромагнетика (слева) и ДГ сегнетоэлектрика
результирующий дипольный момент ДГ сегнетоэлектрика равен нулю. Это различие определяет разницу механизма смещения ДГ в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках.
Применение новейших экспериментальных методик позволяет наблюдать эволюцию доменов при переключении намагниченности (поляризации) с нано-масштабным разрешением [25]. Сопоставление новых экспериментальных данных для сегнетоэлектриков и ферромагнетиков позволяет по-новому взглянуть на многообразие сценариев макроскопической эволюции доменной структуры, на закономерности влияния параметров материала и его структуры на процессы перемагничивания и переполяризации.
Для ферромагнетиков (сегнетоэлектриков) характерно явление магнито-стрикции (электрострикции), заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности (поляризации) кристалла его объём и линейные размеры изменяются. Этот эффект вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойственен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного (электрического) поля, так и от кристаллической структуры образца. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у ферромагнитных и сег-нетоэлектрических материалов.
При изменении линейных размеров кристалла под действием внешних сил его магнитные (электрические) свойства изменяются. Это явление называется магнитоупругим эффектом (пьезоэффектом).
Из анализа опубликованных работ следует:
- Многие свойства ферромагнетиков и сегнетоэлектриков можно описывать с общих феноменологических позиций.
- Специфика свойств ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, в основном, определяется наличием в них доменной структуры.
- Специфические свойства ферромагнетиков и сегнетоэлектриков определяют широкие возможности их использования в науке и технике.
- Эксплуатационные параметры ферромагнетиков и сегнетоэлектри-ков в значительной степени определяются их гистерезисными свойствами.
- Гистерезисные свойства ферромагнетиков и сегнетоэлектриков тесно связаны с их доменной структурой.
Но необходимо отметить, что сходство свойств ферромагнетиков и сег-нетоэлектриков является чисто внешним, так как в основе сопоставляемых процессов лежат разные, хотя и имеющие между собой связь, физические явления.
Основные различия между ферромагнетиками и сегнетоэлектриками обусловлены разной природой спонтанной намагниченности и спонтанной поляризации. Этим, в частности обусловлено и различие в структуре и кинетике их доменных границ.
В перечни сходства и различия свойств ферромагнетиков и сегнетоэлек-триков, конечно, можно ещё многое добавить, но в данном случае мы ограничились только свойствами, непосредственно связанными со спонтанной намагниченностью и поляризацией.
Ферромагнетики в магнитном поле и сегнетоэлектрики в электрическом поле можно рассматривать как открытые нелинейные системы, поведение которых зависит от предыстории образца. Их доменная структура часто приобретает фрактальный характер, а ее перестройка часто носит характер самоорганизации. В связи с этим представляется весьма перспективным фрактально-синергетический подход при исследовании их фундаментальных и прикладных свойств.
Список литературы:
1. Вонсовский С.В. Магнетизм / С.В. Вонсовский. - М.: Наука, 1971. -1032 с.
2. Сидоркин А.С. Доменная структура в сегнетоэлектриках и родственных материалах / А.С. Сидоркин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000. - 240 с.
3. Струков Б.А. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах / Б.А. Струков, А.П. Леванюк. - М.: Наука, 1983. - 240 с.
4. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978. - 792 с.
5. Вонсовский С.В. Ферромагнетизм / С.В. Вонсовский, Я.С. Шур. - М.; Л.: ОГИЗ, гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1948. - 816 с.
6. Манаков Н.А. Магнитные свойства быстрозакаленного сплава GdCo5 / Н.А. Манаков, Е.В. Иванова, К.С. Сахаев // сб. Физика магнитных материалов. - Калинин, 1983. - С. 72-75.
7. Тын, В.В. Механизмы перемагничивания быстрозакаленных сплавов 8ш-Со / В.В. Тын, Н.А. Манаков // сб. Физика магнитных пленок. - Иркутск, 1980. - Вып. 14. - С. 31-33.
8. Гинзбург, В.Л. Теория сегнетоэлектрических явлений // УФН. - 1949. -Т. XXXVIII, вып. 4. - С. 490-525.
9. Манаков Н.А., Толстобров Ю.В. К вопросу формирования доменных структур в тонких ферромагнитных пластинках // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2008. - № 9 - С. 217-219.
10. Толстобров Ю.В., Манаков Н.А., Черемисин А.А. Влияние размеров и анизотропии на формирование доменных структур одноосных монокристаллов // ФММ. - 2007. - Т. 104, № 2. - С. 135-143.
11. Белоцерковский А.В. Микромагнитная структура и процессы пере-магничивания магнитно-твердых материалов / А.В. Белоцерковский, Н.А. Ма-наков, Ю.Г. Пастушенков, Ю.М. Смирнов. - Тверь: Твер. гос. ун-т, 2013. -240 с.
12. Усов Н.А. Микромагнетизм мелких ферромагнитных частиц, наноструктур и аморфных проводов: дисс. ... д.ф.-м.н. / Троицкий ин-тут инновационных и термоядерных исследований. - Троицк, 2000. - 253 с.
13. Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г. Доменная структура магнетиков. Основные вопросы микромагнетики. - Свердловск: УрГУ, 1986. - 136 с.
14. Манаков Н.А. Процессы перемагничивания быстрозакаленных сплавов высокоанизотропных редкоземельных магнетиков: автореферат дисс. ... д.ф.-м.н. / Институт физики металлов УрО РАН. - Екатеринбург, 1994. - 38 с.
15. Манаков Н.А., Толстобров Ю.В. К вопросу формирования доменных структур в тонких ферромагнитных пластинках // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2008. - № 9 - С. 217-219.
16. Толстобров Ю.В., Манаков Н.А., Черемисин А.А. Влияние размеров и анизотропии на формирование доменных структур одноосных монокристаллов // ФММ. - 2007. - Т. 104, № 2. - С. 135-143.
17. Толстобров Ю.В., Манаков Н.А., Черемисин А.А. Влияние метода минимизации функционала свободной энергии на результаты микромагнитного моделирования // ФММ. - 2004. - Т. 98, № 3. - С. 16-22.
18. Манаков Н.А., Старостенков М.Д., Толстобров Ю.В., Черемисин А.А. Микромагнитное моделирование доменных структур в монокристалле Со. Влияние размера // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - Барнаул, 2004. - № 2. - С. 47-53.
19. Манаков Н.А., Суханова О.Л. Численное моделирование гистерезиса нанокристаллических сплавов высокоанизотропных магнетиков // Наука, культура, образование. - 2001. - № 8/9. - С. 24-26.
20. Манаков Н.А., Почернин М.А. Численное моделирование процессов перемагничивания микрокристаллических сплавов высокоанизотропных магнетиков // ФММ. - 1991. - № 6. - С. 199-201.
21. Крюков И.И., Манаков Н.А., Сахаев К.С. Микромагнетизм одноосного магнетика с пластинчатым выделением // ФММ. - 1989. - Т. 68, вып. 4. -С. 648-655.
22. Манаков Н.А., Почернин М.А. Численное моделирование процессов перемагничивания микрокристаллических сплавов высокоанизотропных магнетиков // ФММ. - 1991. - № 6. - С. 199-201.
23. Крюков И.И., Манаков Н.А. Микромагнетизм двухфазных квазиод-нодоменных частиц // ФММ. - 1983. - Т. 56, вып. 1. - С. 5-8.
24. Хуберт А. Теория доменных стенок в упорядоченных средах / А. Ху-берт. - М.: Мир, 1987. - 306 с.
25. Шур В.Я. Исследование кинетики субмикронных и нано-доменных структур в сегнетоэлектрических монокристаллах при внешних воздействиях / В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев. - Екатеринбург: Изд-во Уральского гос. ун-та, 2007. - 105 с.
