ФЕРРОМАГНЕТИКИ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ: СХОДСТВО И РАЗЛИЧИЯ © Манаков Н.А. , Макаров В.Н.

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.