Speciální třída magnetů, které jsou schopné magnetizace za nepřítomnosti vnějšího magnetického pole (spontánní magnetizace), se nazývá feromagnetika.

Feromagnetismus mají látky pouze v krystalickém stavu. Mezi významné zástupce feromagnetik patří: sloučeniny železa, niklu, kobaltu, manganu a chrómu a řada dalších. Feromagnetika jsou klasifikována jako vysoce magnetické látky. Jejich magnetizace závisí na síle vnějšího pole nelineárně a dosahuje saturace. V tomto ohledu nejsou pro feromagnetické materiály magnetická susceptibilita ($varkappa$) a magnetická permeabilita ($mu$) konstantní. Stále je zaznamenáno, že:

[overrightarrow=varkappa overrightarrow a overrightarrow=mu _0overrightarrowleft(1right),]

ale potom jsou $mu a varkappa $ považovány za funkce intenzity pole. Tyto funkce se nejprve zvyšují s rostoucí intenzitou pole, procházejí maximem, v silných polích, kdy je dosaženo saturace, má magnetická permeabilita tendenci k jednotě a magnetická susceptibilita k nule. Maximální hodnota $mu $ dosahuje u většiny feromagnetik při běžných teplotách stovek tisíc jednotek.

Feromagnetické monokrystaly jsou anizotropní s ohledem na magnetické vlastnosti. V každém jednotlivém krystalu je jeden nebo více směrů, podél kterých je magnetická susceptibilita obzvláště velká. Existují směry, ve kterých je krystal špatně zmagnetizován. Je třeba poznamenat, že pokud se feromagnetická látka skládá z malých polykrystalů, pak je izotropní.

Dalším charakteristickým rysem feromagnetik je, že závislosti $overrightarrow(overrightarrow)$ a $overrightarrow(overrightarrow)$ nejsou jednoznačné, ale jsou určeny předchozí historií. To znamená, že feromagnetika se vyznačují magnetickou hysterezí.

U feromagnetik existuje při přechodu určitá teplota, kterou látka prochází fázovým přechodem druhého řádu. Tato teplota se nazývá Curieova teplota ($T_k$) (nebo Curieův bod). Látka při teplotě pod Curieovým bodem je feromagnetická a při teplotě nad Curieovým bodem se stává paramagnetickou. V tomto případě se magnetická susceptibilita v blízkosti brýlí Curie řídí zákonem Curie-Weiss:

kde $С$ je konstanta v závislosti na typu látky.

Doménová struktura feromagnetika

Einstein experimentálně zjistil, že feromagnetismus je způsoben spiny elektronů. Feromagnety mají spontánní magnetizaci, když není vnější pole, ale vlivem vnitřních příčin mají spiny elektronů tendenci orientovat se jedním obecným směrem. Je ale energeticky nevýhodné, aby byl magnetizován celý feromagnet.

První kvantitativní teorii popisující vlastnosti feromagnetik vypracoval Weiss v roce 1907. Spontánní magnetizace v jeho teorii je na první pohled v rozporu s tím, že i při teplotách pod Curieovým bodem se některá feromagnetika obvykle nemagnetizují, ačkoli permanentní magnety také existují. Weiss tento rozpor vyřešil, když zavedl hypotézu, že feromagnetika pod Curieovým bodem se magneticky rozpadají do mnoha malých makroskopických oblastí. Každá oblast je spontánně magnetizována. Takové oblasti se nazývají domény. Za normálních podmínek jsou směry domén chaotické. Tělo jako celek není magnetizováno. Po zapnutí externího pole rostou domény orientované podél pole na úkor domén orientovaných proti poli a hranice domén se posouvají. Ve slabých polích je takový posun vratný. V silných polích se domény přeorientují v rámci celé domény. Proces se stává nevratným, dochází k fenoménu hystereze a zbytkové magnetizace.

READ
Jak doma propláchnout vnější část radiátoru?

„Rozpad“ domény je energeticky příznivý. Když je feromagnet rozdělen na domény a objeví se domény různých orientací, magnetické pole generované feromagnetem je oslabeno. Odpovídající energie se zmenšuje. Energie elektronové výměnné interakce se nemění pro všechny elektrony s výjimkou elektronů na hranicích domén (tzv. povrchová energie). Roste v důsledku různých orientací spinů elektronů sousedních domén. Fragmentace domén končí, když součet magnetické a výměnné energie dosáhne minima. Minimální podmínka také určuje velikost domén. Doménová struktura feromagnetik byla empiricky prokázána.

Hranice domény

Takže pro minimalizaci energie magnetického pole je výhodné zmenšit velikost domény. Tomu však brání potřeba vynaložit energii na tvorbu hranic mezi doménami, jelikož magnetizace na různých stranách hranice má různý směr. Hranice má konečnou tloušťku, v rámci které magnetizace postupně mění svůj směr z orientace v jedné doméně do orientace v sousední.

Doménové stěny jsou klasifikovány podle charakteristik rotace vektoru magnetizace. Pokud se kolmá (vzhledem ke stěně) složka vektoru magnetizace během rotace nemění, pak se jedná o Blochovu stěnu. (Říkají, že v Blochově stěně dochází k rotaci v rovině rovnoběžné se stěnou). Pokud dojde ke změně směru vektoru magnetizace se změnou kolmé složky, pak se stěna jmenuje Neel.

Článek: Feromagnetika a doménová struktura

Idealizované doménové struktury v monokrystalu jsou znázorněny na obr. 1. Směry magnetizace jsou znázorněny šipkami.

Při mechanickém zpracování, broušení a leštění, zahřívání a ochlazování při lepení se v objemu vzorků tvoří hranice domén (obr. 9, 10). Jednotlivé části krystalu jsou zpravidla vyplněny doménami orientovanými vzájemně kolmo. Hranice jsou umístěny v rovinách s krokem 5-20 μm. Přítomnost takových hranic částečně snižuje optický přenos krystalu, pokud jsou orientovány pod úhlem k povrchu.

Obr.9. Hranice domén v krystalu CeAlO3.

Co je doména a struktura domény? Doména je makroskopická oblast v krystalu, ve které jsou všechny základní buňky ve feroelektriku stejně polarizované. Směr spontánní polarizace v sousedních doménách svírá mezi sebou určité úhly. Jednotlivé domény jsou od sebe odděleny hranicemi domén nebo doménovými stěnami. Soubor domén různé orientace se nazývá doménová struktura.

Když je krystal ochlazen a přechází z paraelektrické fáze do feroelektrické fáze v nepřítomnosti vnějšího pole, vznikají alespoň dva ekvivalentní směry, podél kterých může být směrována spontánní polarizace. Pro minimalizaci energie jsou různé oblasti krystalu polarizovány v jednom z těchto směrů a každá taková oblast je polarizována rovnoměrně. nazývaná doména. Depolarizační pole, která vznikají při ochlazování, obvykle postačují ke kompenzaci polarizace v původním krystalu.

READ
Kde skladovat brambory, pokud není sklep?

Hranice oddělující domény se nazývají doménové stěny. Protože se tyto stěny liší od dokonalého krystalu, je s nimi kromě elektrostatické energie We spojena i určitá energie Ww. Konečná konfigurace domény je určena minimem odpovídajícím volné energii, která zahrnuje oba tyto termíny.

V rovnováze, kdy jsou všechna depolarizační pole kompenzována, bude minimální energie v nepřítomnosti defektů odpovídat konfiguraci s jednou doménou, když jsou brány v úvahu pouze Ww a We. Ve vysoce vodivých feroelektrikách se skutečně ukazuje jako výhodnější jednodoménová struktura. Takového rovnovážného stavu je však v původním krystalu v nepřítomnosti vnějších polí dosaženo jen zřídka a pozorovaná doménová struktura závisí na mnoha faktorech, včetně krystalové symetrie, elektrické vodivosti, konfigurace defektu, hodnot spontánní polarizace a elasticity a dielektriky. shody, stejně jako prehistorie krystalu a geometrie vzorku.

Sledování domény. V současné době existuje řada metod pro identifikaci doménové struktury. Volba jedné nebo druhé metody závisí na materiálu a geometrii krystalu, požadované rychlosti a rozlišení a také na potřebě určit elektrickou polaritu domén. Prvních pět níže popsaných metod lze použít k pozorování domén v objemu krystalu a zbytek lze použít k identifikaci oblastí, kde se domény protínají s povrchem krystalu.

Optický lom. Stejně jako nízkofrekvenční dielektrická susceptibilita pyroelektrik je susceptibilita na optických frekvencích anizotropní. Všechny pyroelektrické krystaly jsou tedy opticky anizotropní, kromě případů, kdy se indexy lomu při určité teplotě „náhodně“ rovnají. U opticky jednoosých krystalů, které patří do tetragonálních, trigonálních nebo hexagonálních krystalových tříd, jsou indexy lomu pro světlo polarizované podél polární osy a kolmo k ní různé.

U zkřížených polarizátorů se domény polarizované ve směru pozorování zdají tmavé, když se otočí kolem polární osy, zatímco domény polarizované v jakémkoli jiném směru jsou dvojlomné a vypadají jasně, pokud polární osa krystalu a osy polarizátorů neleží ve stejné rovině.

V případě opticky biaxiálních krystalů, které patří do tříd ortorombických, monoklinických a triklinických krystalů, jsou všechny tři indexy lomu obecně různé, takže všechny domény jsou dvojlomné. Takové domény lze také pozorovat mezi zkříženými polarizátory v důsledku různého dvojlomu pro domény různých orientací. Na obrázku je fotografie takto identifikovaných domén.

READ
Jak funguje závěsné WC?

Tato metoda byla použita pro mnoho feroelektrik různých symetrií a je atraktivní zejména svou jednoduchostí. Tuto metodu však zpravidla nelze použít k pozorování antiparalelních domén (protože optická indikační čára je invariantní vůči přepínání domén), s výjimkou případů, kdy je patrný rozptyl od stěn domén nebo kdy dochází k deformacím stěn pod vlivem vnějších pole nebo mechanické namáhání .

Výše popsaná metoda je v mezích své použitelnosti zřejmě nejpřímějším způsobem přímého pozorování statické konfigurace a kinetiky pohybu doménové stěny.

Optická rotace. Příkladem použití optické rotace k odhalení 180stupňové doménové struktury je krystal Pb5Gc3O11. Tento krystal se vyznačuje schopností optické rotace 5,6 deg/mm pro světlo šířící se podél polární osy třetího řádu, a když je tato osa obrácena, znaménko rotace se mění. Výsledkem je, že když jsou c-cut desky (polární osa je kolmá k desce) pozorovány pod polarizovaným světlem, jedna skupina domén může být nastavena na zánik analyzátorem, zatímco druhá skupina se jeví jako jasná, jak je znázorněno na obrázku .

Druhá harmonická generace. V triglycinsulfátu byly pozorovány 180° domény za použití druhé harmonické generace za podmínek fázové shody. V zásadě lze tuto metodu použít pro jakýkoli krystal, u kterého je možné fázovým přizpůsobením generovat druhé harmonické pro světlo se směrem šíření blízko polární osy. Intenzita druhé harmonické závisí na délce optické interakce v oblasti jednoho nebo druhého znaménka. Při překročení hranice domény změní nelineární koeficient druhého řádu znaménko a druhá harmonická zmizí v důsledku fázového posunu. Oblasti obsahující hranice domén se tedy jeví tmavší než sousední domény. Kromě odhalování doménové struktury může být druhá harmonická generace použita k měření šířky velmi malých domén s periodickou strukturou.

Elektronová mikroskopie. Optické metody nejsou použitelné pro velikosti domén menší než 1 mikron. Transmisní elektronová mikroskopie umožňuje zkoumat pouze tenké oblasti krystalů, takže pozorované efekty jsou charakteristické pouze pro oblasti blízkého povrchu.

Pyroelektrická metoda. Při zahřívání feroelektrika se spontánní polarizace Ps mění a na povrchu krystalu se objevují volné náboje, jejichž znaménko je určeno orientací domén. Izolační krystal lze rovnoměrně zahřívat a zkoumat rozložení náboje pomocí elektronového paprsku, jako v pyroelektrickém vidikonu, nebo pomocí nabitých částic. Krystal lze také lokálně zahřívat skenovaným laserovým paprskem. Přiložením elektrod na krystal kolmo k polární ose je možné zaznamenat elektrickou odezvu a pomocí displeje získat obraz doménové struktury.

READ
Proč je dřevo antiseptické?

Chemické leptání. Proces chemického leptání lze považovat za určitý druh interakce mezi atomy krystalu a molekulami leptadla. Rychlost takového procesu je úměrná koncentracím krystalových atomů a leptacích molekul a měla by záviset na aktivační energii. U mnoha feroelektrik byla nalezena chemická leptadla, která taví pozitivní a negativní konce domén různými rychlostmi, čímž odhalují doménovou strukturu. Hlavní nevýhodou metody leptání je, že metoda je destruktivní a pomalá.

Práškové metody. V kolonální suspenzi nabitých částic se některé částice ukládají přednostně buď na kladném nebo záporném konci domén. Například síra a oxid olovnatý Pb3O4 v hexanu jsou uloženy na negativním a pozitivním konci domén.

Metoda rosení. Isobutylalkohol kondenzovaný na povrchu triglycinsulfátu je přitahován ke stěnám domény, což lze pozorovat v odraženém světle. Další variantou této metody je selektivní krystalizace antrachinonu na povrchu. Z krystalizačního vzoru lze určit morfologii domén a jejich znaménko.

Metoda tekutých krystalů. Bylo ukázáno, že tenká vrstva nematického kapalného krystalu pn-amino-n-butylbenzenu na povrchu feroelektrika odhaluje 180-stupňovou doménovou strukturu, když je pozorována se zkříženými polarizátory. Navrhované uspořádání molekul tekutých krystalů ve vztahu k feroelektrickým doménám je znázorněno na obrázku.

Oproti metodám 6-8 má tato metoda výhodu rychlosti (tekutý krystal rychle reaguje na změny v doménové struktuře), spolu s jednoduchostí a vysokým rozlišením.

Rentgenová topografie. Anomální rozptyl rentgenového záření vede k rozdílům v intenzitě odrazu od pozitivních a negativních domén. Tento rozdíl lze maximalizovat použitím vlnových délek blízkých absorpčnímu okraji jednotlivých prvků. Moderní topografická technologie umožňuje velmi rychle studovat krystaly.

Ultrafialová fotoemise. Fotoemisní spektrum krystalu závisí na krystalografické orientaci osvětleného povrchu. Například a- a c-domény na povrchu feroelektrického perovskitu lze pozorovat přímo rozdílem ve fotoelektrickém výstupu pro dvě domény. V zásadě by tato metoda měla také detekovat 180stupňové domény jako výsledek rozdílu mezi kladným a záporným polárním povrchem feroelektrika.