Домены в кристаллах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Домены в кристаллах (от франц. domaine - владение) - области кристалла с однородной атомно-кристаллич. или магн. структурами закономерным образом повёрнутыми или (и) сдвинутыми относительно друг друга. Напр., повёрнутые относительно друг друга кристаллич. Д. являются компонентами двойников (см. Двойникование; )Д., структуры к-рых лишь сдвинуты относительно друг друга, наз. а н т и ф а з н ы м и. Образование доменов связано с фазовым переходом кристалла в состояние с более низкой симметрией. При этом возможно возникновение неск. физически эквивалентных вариантов менее симметричной структуры, по-разному ориентированных или (и) сдвинутых относительно структуры исходной фазы. Структуры разл. Д. связаны между собой операциями симметрии, соответствующими элементам симметрии, утраченным при фазовом переходе (см. Симметрия кристаллов). Менее симметричная фаза является более упорядоченной, чем исходная высокосимметричная, и Д. различаются направлением вектора h (или тензора), описывающего порядок в несимметричной фазе (параметр порядка). Напр., при ферромагн. переходе таким вектором является вектор спонтанной намагниченности (или магн. момент) М, при сегнетоэлектрич. переходе- спонтанная поляризация

при деформационных переходах - тензор спонтанной деформации (см. Домены упругие ).Если в исходном кристалле имеется только одна возможная кристаллография, ось, вдоль к-рой может располагаться вектор h, то симметричная фаза с

Рис. 1. Зависимость свободной энергии F однородного кристалла от параметра порядка h = М и ниже температуры фазового перехода Т_с первого (а) и второго (б) рода; два минимума, соответствуют состояниям с взаимно противоположным направлением М. h=0 может перейти в два эквивалентных состояния с bh (рис. 1), к-рые, сосуществуя в одном кристалле, образуют Д. с взаимно противоположным направлением вектора h (180°-ные Д.). Напр., при фазовом переходе тетрагонального парамагнетика в ферромагнетик с одной осью спонтанной намагниченности кристаллич. структура не меняется, а магн. симметрия понижается; возможны 2 противоположных направления намагниченности M. Существуют, т. о., ферромагн. Д. с противоположными направлениями намагниченности. При ферромагн. переходе из кубич. фазы понижается не только магнитная, но и атомно-кристаллич. симметрия. Если спонтанная намагниченность направлена вдоль осп 4-го порядка, то существуют Д. с 6 разл. направлениями спонтанной намагниченности. Анализ с помощью теории групп позволяет определить все возможные виды Д. при любом фазовом переходе. Граница домена представляет собой область, в к-рой происходит постепенный переход от структуры одного Д. к структуре соседнего. Толщина её определяется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, любое промежуточное состояние между состояниями стабильных Д. имеет повышенную энергию; поэтому переходный слой должен был бы иметь мин. толщину. С др. стороны, резкие изменения структуры энергетически невыгодны. Характерная толщина доменной границы (доменной стенки)зависит от типа фазового перехода: она составляет, напр., сотни и тысячи межатомных расстояний в случае ферромагн. Д. и равна лишь неск. межатомным расстояниям для Д., отличающихся атомно-кристаллич. структурой. Энергетич. характеристикой равновесных доменных границ является их поверхностная энергия s, к-рая заключена в интервале от единиц до сотен эрг/см². Доменная структура (набор, размеры, форма и взаимное расположение Д.) отражает особенности развития фазового перехода в реальном кристалле, в частности независимое начало перехода из разных точек кристалла. В общем случае структура является неравновесной и имеет нерегулярный характер. Но если образование новой фазы сопровождается появлением дальнодействующих полей, возможно формирование равновесной доменной структуры, отвечающей минимуму энергии кристалла. Появление спонтанной намагниченности или поляризации сопровождается возникновением магн. и электрич. поля. Их источники - магн. полюсы или связанные электрич. заряды - расположены на поверхности, ограничивающей область однородной упорядоченной фазы. Если новая кристаллич. фаза находится в контакте со старой, то на их границе возникают источники упругих напряжений. Магн., электрич. или упругие поля распространяются на весь объём, занимаемый однородной фазой. Их энергия E пропорциональна объёму V фазы: E=ФеV, где е - плотность энергии поля, пропорц. квадрату спонтанной намагниченности, поляризации или деформации, Ф - коэф., зависящий от формы области (размагничивающий фактор или деполяризующий множитель). Разбиение однородной фазы на Д. приводит к чередованию знакопеременных источников. Интерференция полей ослабляет или уничтожает результирующее поле на расстоянии,

превышающем расстояние между ближайшими источниками противоположного знака. Поле сосредоточивается в приграничном слое, и его энергия снижается до величины E=ФеDS, где S - площадь граничной поверхности, D - толщина приграничного слоя, примерно равная толщине Д. На рис. 2, а, представлено поле плоскопараллельной пластины, протяжённость к-рой во много раз больше её толщины h. Дальнодействующее поле однородно и сосредоточено внутри пластины. В результате разбиения пластины на Д. поле в пластине исчезает, за исключением приповерхностного слоя толщиной D (рис. 2, б), равной расстоянию между источниками разного знака, т. е. примерно толщине Д. При образовании Д. энергия поля уменьшается по сравнению с однородным монодоменным состоянием в h/D раз. Уменьшение энергии дальнодействующего поля при преобразовании его в приграничное короткодействующее и есть термодина-мич. причина разбиения кристалла на Д. Чем меньше Д., тем меньше протяжённость и энергия короткодействующего поля, но тем больше число доменных границ в единице объёма. Конкуренция энергии короткодействующего поля и поверхностной энергии доменных границ приводит к установлению равновесного размера Д. D₀. Для пластины D₀ @(sh/е)^1/2. При достаточно малых размерах области упорядоченной фазы h разбиение на Д. энергетически невыгодно и равновесным является монодоменное состояние. Схема плоскопараллельных Д. реализуется в пластине в случае одноосных ферромагнетиков или сегнетоэлектриков, она также типична для упругих Д. В общем случае доменная структура может включать в себя Д. мн. типов (см. Магнитная доменная структура).
Действие внешних полей. Во внеш. поле Д. становятся энергетически неэквивалентными: более благоприятно ориентированные относительно внеш. поля Д. "растут" за счёт менее энергетически выгодных. Это приводит к возникновению внутр. поля, компенсирующего действие внеш. ноля. Устанавливается новая доменная структура, соответствующая данному значению внеш. поля. При нек-ром значении внеш. однородного поля тело переходит в монодоменное состояние. Эволюция доменной структуры во внеш. поле лежит в основе изменения намагниченности или электрич. поляризации под действием магн. или электрич. поля, а деформац. поведение сегнетоэластиков определяется развитием их доменной структуры в неоднородных полях механич. напряжении (в однородном поле для нестеснённого кристалла равновесным является монодоменное состояние). Кинетика образования доменной структуры и её изменения во внеш. полях определяется подвижностью доменных границ, а также процессами зарождения новых Д. Взаимодействие доменных границ с периодич. полем кристаллич. решётки, с дефектами и неоднородностями кристалла, а также с др. доменными границами приводит к "трению", к-рое испытывают границы при своём перемещении. Это трение проявляется в необратимости изменения доменной структуры во внеш. полях - между изменением суммарной намагниченности, поляризации или деформации, наблюдаемых при увеличении поля, и изменением тех же величин, но при уменьшении поля. Наблюдается гистерезис, зависящий от температуры, скорости изменения поля, примесей и дефектности материала (см. Гистерезис магнитный. Гистерезис сегнетоэлектрический, Гистерезис упругий).

Литература по доменам в кристаллах

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.