200 НОВОЕ СЛОВО В НАУКЕ И ПРАКТИКЕ 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 сегнетоэлектриков 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 GdCo5 (предварительно образец термически размагничивался) [6, 7] Профессор кафедры Общей физики, доктор физико-матеатических наук, профессор. Ведущий инженер кафедры Общей физики. Доцент кафедры Общей физики. Физико-математические науки 201 Сходство отличительных особенностей ферромагнетиков и сегнетоэлектриков 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: kTc ≈ 1,38·10-23·103 = 13,8·10-21 Дж. А энергию электростатического взаимодействия по энергии взаимодействия однозарядных е2 ионов: U = ≈ 13 эВ = 20,8·10-19 Дж. 4 0 r 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 сегнетоэлектриках 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 сегнетоэлектриков отличаются большим разнообразием и зависят как от основных 202 НОВОЕ СЛОВО В НАУКЕ И ПРАКТИКЕ 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 Nd2Fe14B на плоскости (001) [11] Рис. 3. Кривая намагничивания 1 и петля магнитного гистерезиса 2 и 3 ферромагнетика (Мм – максимальная намагниченность, МR – 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 Физико-математические науки 203 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. Рис. 4. Структура Блоховской ДГ ферромагнетика (слева) и ДГ сегнетоэлектрика На рис. 4 схематично показана структура Блоховской доменной границы ферромагнетика и ДГ сегнетоэлектрика. Следует заметить, что анизотропия в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках 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 сегнетоэлектриках 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 204 НОВОЕ СЛОВО В НАУКЕ И ПРАКТИКЕ 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 поновому 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 магнитострикции (электрострикции), заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности (поляризации) кристалла его объѐм и линейные размеры изменяются. Этот эффект вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решѐтке, и поэтому свойственен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объѐма, что зависит как от действующего магнитного (электрического) поля, так и от кристаллической структуры образца. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у ферромагнитных и сегнетоэлектрических 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 сегнетоэлектриков 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 сегнетоэлектриков 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. Физико-математические науки 205 В перечни сходства и различия свойств ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, конечно, можно ещѐ 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 Sm-Co / 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 перемагничивания магнитно-твердых материалов / А.В. Белоцерковский, Н.А. Манаков, 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. 206 НОВОЕ СЛОВО В НАУКЕ И ПРАКТИКЕ 13. Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г. Доменная структура магнетиков. Основные вопросы микромагнетики. – Свердловск: УрГУ, 1986. – 136 с. 14. Манаков H.A. 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 квазиоднодоменных частиц // ФММ. – 1983. – Т. 56, вып. 1. – С. 5-8. 24. Хуберт А. Теория доменных стенок в упорядоченных средах / А. Хуберт. – 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.