자기 영역

자기 도메인은 자성이 균일한 방향으로 이루어지는 자성 재료 내의 영역입니다.이것은 원자의 개별 자기 모멘트가 서로 정렬되어 있고 같은 방향을 가리키고 있다는 것을 의미합니다.퀴리 온도라고 불리는 온도 이하로 냉각되면, 강자성 물질의 자화는 자연스럽게 자기 영역이라고 불리는 많은 작은 영역으로 분할됩니다.각 도메인 내의 자화는 동일한 방향을 가리키지만 다른 도메인의 자화는 다른 방향을 가리킬 수 있습니다.자기 영역 구조는 철, 니켈, 코발트 및 그 합금과 같은 강자성 물질과 페라이트 같은 강자성 물질의 자기 거동을 담당합니다.여기에는 영구 자석의 형성과 자기장에 대한 강자성 물질의 흡인력이 포함됩니다.자기 영역을 분리하는 영역을 도메인 벽이라고 하며, 여기서 자화는 한 도메인의 방향에서 다음 도메인의 방향으로 일관되게 회전합니다.자기 영역에 대한 연구는 마이크로 자기학이라고 불린다.

자기 도메인은 자기 순서를 가진 물질에서 형성된다. 즉, 쌍극자는 교환 상호작용에 의해 자연스럽게 정렬된다.강자성, 강자성, 반강자성 재료입니다.쌍극자가 외부 장에 반응하여 정렬되지만 자발적으로 정렬되지 않는 상사성 및 반자성 재료는 자기 영역을 가지지 않는다.

영역 이론의 전개

자기영역 이론은 1906년 ^[2]강자석에 자기영역의 존재를 제안한 프랑스 물리학자 피에르 에르네스트^[1] 바이스에 의해 개발되었다.그는 많은 수의 원자 자기 모멘트(일반적으로¹²¹⁸ 10-10)^{[citation needed]}가 평행하게 정렬되어 있다고 제안했다.정렬의 방향은 영역마다 다소 랜덤한 방식으로 다양하지만, 특정 결정학적 축은 쉬운 축이라고 불리는 자기 모멘트에 의해 선호될 수 있습니다.바이스는 여전히 강자성 물질 내에서 원자 모멘트가 자연스럽게 정렬되는 이유를 설명해야 했고, 그는 소위 바이스 평균장을 생각해냈다.그는 물질의 주어진 자기 모멘트가 이웃의 자화로 인해 매우 높은 유효 자기장_e H를 경험했다고 가정했다.원래의 와이스 이론에서 평균 장은 벌크 자화 M에 비례했다, 그래서 다음과 같이

$여기$서$$α {\$displaystyle \alpha }$는 평균 필드 상수입니다.그러나 도메인마다 자화가 다르기 때문에 강자석에는 적용되지 않습니다.이 경우 상호작용 필드는 다음과 같습니다.${\displaystyle {여기}_{}}$서 M s$(\$s$$})는 0K에서의 포화 자화입니다.

나중에, 양자 이론은 바이스 장의 미세한 기원을 이해하는 것을 가능하게 했다.국소 스핀 간의 교환 상호작용은 인접한 자기 모멘트의 평행(강자석 내) 또는 반평행(반강자석 내) 상태를 선호합니다.

도메인 구조

도메인이 형성되는 이유

철과 같은 자성 물질이 물질 전체에 걸쳐 같은 방향으로 자화된 상태로 존재하는 것이 아니라 자발적으로 다른 영역으로 분할되는 이유는 내부 ^[3]에너지를 최소화하기 위해서이다.강자성 재료의 넓은 영역 전체에 걸쳐 일정한 자화가 이루어지면 그 바깥 공간으로 확장되는 큰 자기장이 생성됩니다(그림 a, 오른쪽).이를 위해서는 필드에 저장된 많은 정전기 에너지가 필요합니다.이 에너지를 줄이기 위해 샘플은 두 개의 도메인으로 분할되며 각 도메인에서 반대 방향으로 자화됩니다(그림 b 오른쪽).자기장 라인은 각 영역을 서로 반대 방향으로 루프 형태로 통과하므로 재료 외부의 자기장이 감소합니다.전계 에너지를 더욱 줄이기 위해, 이러한 각 도메인은 분할될 수 있으며, 그 결과 교대로 자화된 병렬 도메인이 더 작아지고, 물질 외부의 전계량은 더 작아집니다.

실제 자성물질의 도메인 구조는 일반적으로 여기에 설명된 바와 같이 큰 도메인이 작은 도메인으로 분할되는 과정에 의해 형성되지 않는다.예를 들어 샘플이 퀴리 온도 이하로 냉각되면 평형 도메인 구성이 단순히 나타납니다.그러나 도메인은 분할될 수 있으며 도메인 분할에 대한 설명은 도메인 형성의 에너지 트레이드오프를 밝히기 위해 자주 사용됩니다.

도메인 크기

위에서 설명한 바와 같이 너무 큰 도메인은 불안정하며 더 작은 도메인으로 분할됩니다.그러나 작은 도메인은 안정적이고 분할되지 않으며, 이는 재료에 생성되는 도메인의 크기를 결정합니다.이 크기는 재료 ^[3]내 여러 에너지의 균형에 따라 달라집니다.자화 영역이 2개의 도메인으로 분할될 때마다 도메인 사이에 도메인 벽을 형성하며, 다른 방향을 가리키는 자화 쌍극자(분자)가 인접해 있습니다.자화를 일으키는 교환 상호작용은 가까운 쌍극자가 같은 방향을 가리키도록 정렬하는 경향이 있는 힘입니다.인접한 쌍극자가 서로 다른 방향을 가리키도록 강제하려면 에너지가 필요합니다.그러므로, 도메인 벽은 도메인 벽 에너지라고 불리는 추가 에너지를 필요로 하는데, 이것은 벽의 면적에 비례합니다.

따라서 도메인이 분할될 때 에너지가 감소하는 순량은 절약된 자기장 에너지와 도메인 벽을 만드는 데 필요한 추가 에너지 간의 차이와 같습니다.전계 에너지는 영역 크기의 입방체에 비례하는 반면 영역 벽 에너지는 영역 크기의 제곱에 비례합니다.따라서 도메인이 작아질수록 분할에 의해 절약되는 순에너지는 감소합니다.추가 도메인 벽을 만드는 데 드는 에너지 비용이 절약되는 필드 에너지와 같아질 때까지 도메인은 계속해서 더 작은 도메인으로 나뉩니다.그러면 이 크기의 도메인은 안정적입니다.대부분의 재료에서 도메인은 크기가 약 10⁻⁴ - 10m로^{−6 [4][5][6]}미세하다.

자기 이방성

물질이 정자 에너지를 더욱 감소시키는 또 다른 방법은 반대되는 ^[3]평행 방향에서가 아니라 다른 영역(그림 c, 오른쪽)과 직각으로 자화 영역을 형성하는 것이다.플럭스 클로저 도메인이라고 불리는 이러한 도메인은 재료 내에서 필드 라인을 180° 회전시켜 재료 내에서 완전히 닫힌 루프를 형성하여 정전기 에너지를 0으로 감소시킵니다.그러나 이러한 도메인을 구성하면 두 가지 추가 에너지 비용이 발생합니다.첫째, 대부분의 자성 재료의 결정 격자는 자성 이방성을 가지고 있는데, 이것은 자성의 "쉬운" 방향을 결정 축 중 하나에 평행하게 가지고 있다는 것을 의미합니다.물질의 자화를 다른 방향으로 바꾸려면 "자기 결정 이방성 에너지"라고 불리는 추가 에너지가 필요합니다.

자기 변형

"쉬운" 방향에 대한 각도로 자화를 통해 도메인을 만드는 또 다른 에너지 비용은 ^[3]자성이라고 불리는 현상에 의해 발생합니다.자성체 조각의 자화가 다른 방향으로 바뀌면, 그것은 약간의 형상의 변화를 일으킨다.자기장의 변화는 자기 쌍극자 분자의 형태를 약간 변화시켜 결정 격자를 한 차원에서는 더 길고 다른 차원에서는 더 짧게 만듭니다.그러나 자기 영역은 주변 물질에 의해 경계가 단단하게 유지된 상태로 "스퀴드"되어 있기 때문에 실제로 모양을 바꿀 수 없습니다.그래서 대신, 자화의 방향을 바꾸는 것은 재료에 작은 기계적 응력을 유발하고, 영역을 만들기 위해 더 많은 에너지를 필요로 합니다.이것은 "자기 탄성 이방성 에너지"라고 불립니다.

"측면" 자화로 이러한 폐쇄 영역을 형성하려면 앞서 언급한 두 가지 요소로 인해 추가적인 에너지가 필요합니다.따라서 플럭스 폐쇄 도메인은 도메인 벽, 자기결정 이방성 에너지 및 자기탄성 이방성 에너지를 생성하기 위한 "교환 에너지"의 합계보다 절약된 자기 정전기 에너지가 더 큰 경우에만 형성됩니다.따라서 재료의 부피의 대부분은 "쉬운" 방향을 따라 "상향" 또는 "하향" 자화를 가진 영역에 의해 점유되며, 플럭스 폐쇄 도메인은 자기장 라인이 방향을 변경하는 경로를 제공하는 데 필요한 다른 영역의 가장자리에 있는 작은 영역에서만 형성된다(위의 그림 c).

입자 구조

위는 철의 단결정에서 발견되는 것과 같은 완벽한 결정 격자에서 자기 영역 구조를 설명합니다.그러나 대부분의 자성 물질은 다결정질이며 미세한 결정질 입자로 구성되어 있다.이러한 입자는 도메인과 같지 않습니다.각각의 알갱이는 작은 결정체이며, 각각의 알갱이들의 결정 격자는 임의의 방향으로 향합니다.대부분의 재료에서 각 입자는 여러 개의 도메인을 포함할 수 있을 정도로 큽니다.각 결정은 "쉬운" 자화 축을 가지며, 이 축과 평행한 자화 축을 가진 도메인으로 번갈아 분할된다.

자화 상태

극미량 규모로 보면 강자성 재료의 거의 모든 자기 쌍극자가 도메인 내에서 인접하는 것과 평행하게 정렬되어 강한 국소 자기장을 생성하지만, 에너지 최소화는 대규모 자기장을 최소화하는 도메인 구조를 낳는다는 것을 알 수 있다.가장 낮은 에너지 상태에서는 인접 도메인의 자화는 다른 방향을 가리키며, 재료 내의 인접 도메인 간의 미세한 루프에 필드 라인을 제한하기 때문에 결합된 필드는 먼 거리에서 취소됩니다.따라서 가장 낮은 에너지 상태의 강자성 물질의 부피는 외부 자기장이 거의 또는 전혀 없습니다.그 물질은 "자기화되지 않은" 것으로 알려져 있다.

그러나 도메인은 자화가 대부분 같은 방향을 가리키며 외부 자기장을 생성하는 다른 구성에서도 존재할 수 있습니다.이것들은 최소 에너지 구성은 아니지만, 도메인 벽이 결정 격자의 결함에 "고정"되는 현상으로 인해 그것들은 에너지의 국소 최소값이 될 수 있고, 따라서 매우 안정적일 수 있습니다.재료에 외부 자기장을 적용하면 도메인 벽이 이동하여 필드에 정렬된 도메인이 커지고 반대 도메인이 축소될 수 있습니다.외부 필드가 제거되면 도메인 벽이 새 방향으로 고정된 상태로 유지되고 정렬된 도메인이 자기장을 생성합니다.이것은 강자성 물질의 조각이 "자화"되어 영구 자석이 될 때 일어나는 현상이다.

자석을 가열하거나 두들겨 진동을 일으키거나 소자 코일에서 빠르게 진동하는 자기장을 적용하면 도메인 벽이 핀 상태에서 벗어나 외부 자기장이 적은 낮은 에너지 구성으로 돌아가 재료를 "소자"하게 됩니다.

란다우-리프시츠 에너지 방정식

위에서 설명한 다양한 내부 에너지 인자의 기여는 1935년 ^[7]Lev Landau와 Evgeny Lifshitz가 제안한 자유 에너지 방정식으로 표현되며, 이는 자기 영역의 현대 이론의 기초를 형성한다.물질의 영역 구조는 물질의 깁스 자유 에너지를 최소화하는 구조이다.자성 물질의 결정의 경우, 이것은 Landau-Lifshitz 자유 에너지 E이며, 이는 다음 에너지 ^[8]용어의 합계입니다.

${\displaystyle E=E_{ex}+E_{D}+E_{\lambda}+E_{k}+E_{H},}$

어디에

• E는_ex 교환 에너지입니다.이는 강자성, 강자성 및 반강자성 물질에서 자기 쌍극자 분자 간의 교환 상호작용으로 인한 에너지입니다.다이폴이 모두 같은 방향을 향하고 있을 때 가장 낮기 때문에 자성 물질의 자화를 담당합니다.서로 다른 자화 방향을 가진 두 개의 도메인이 서로 옆에 있을 때, 서로 다른 방향을 가리키는 자기 쌍극자가 서로 옆에 놓여 이 에너지를 증가시킨다.이 추가 교환 에너지는 도메인 벽의 총 면적에 비례합니다.
• E는_D 정전기 에너지입니다.이는 동일한 샘플의 다른 부분에 있는 샘플의 일부에서 자화에 의해 생성된 자기장의 상호작용으로 인해 발생하는 자기 에너지입니다.도메인 외부로 확장되는 자기장이 차지하는 볼륨에 따라 달라집니다.이 에너지는 도메인 외부에 있는 자기장 라인의 루프 길이를 최소화함으로써 감소합니다.예를 들어, 이는 자화가 표본의 표면과 평행하도록 유도하기 때문에 필드 선이 표본 밖으로 통과하지 않습니다.이 에너지를 줄이는 것이 자기 영역을 만드는 주된 이유입니다.
• E는_λ 자기 탄성 이방성 에너지입니다.이 에너지는 자화 시 결정 치수에 약간의 변화가 있는 자성의 영향 때문입니다.이로 인해 격자에 탄성변형이 발생하며, 이러한 변형에너지를 최소화하는 자화방향이 선호된다.이 에너지는 결정 내 영역의 자화 축이 모두 평행할 때 최소화되는 경향이 있습니다.
• E는_k 자기 결정 이방성 에너지입니다.자기 이방성 때문에 결정 격자는 한 방향으로 자화하기가 쉽고 다른 방향으로 자화하기가 어렵다.이 에너지는 자화가 "쉬운" 결정 축을 따라 있을 때 최소화되기 때문에 결정 입자 내 대부분의 도메인 자화는 "쉬운" 축을 따라 어느 방향으로든 이루어지는 경향이 있습니다.재료의 다른 입자의 결정 격자는 보통 다른 랜덤 방향으로 향하기 때문에, 이것은 다른 입자의 지배적인 영역 자화를 다른 방향으로 향하게 한다.
• E는_H Zeeman 에너지:이것은 자성 물질과 외부로 인가되는 자기장 간의 상호작용으로 인해 정전기 에너지에서 추가되거나 감산되는 에너지입니다.이는 자기장과 자화 벡터 사이의 각도의 코사인 음수에 비례합니다.인가된 자기장과 평행한 자기장을 가진 도메인은 이 에너지를 감소시키는 반면 인가된 자기장과 반대되는 자기장을 가진 도메인은 이 에너지를 증가시킨다.따라서 자기장을 강자성 재료에 적용하면 일반적으로 자기장과 거의 평행하게 놓여 있는 도메인의 크기가 증가하도록 도메인 벽이 이동하게 됩니다.단, 자기장과 반대되는 도메인의 크기는 감소합니다.이것은 강자성 물질이 "자화"될 때 발생하는 현상이다.충분히 강한 외부 필드를 사용하면 필드에 대항하는 도메인이 흡수되어 사라집니다.이것을 포화라고 부릅니다.

일부 소스는 위 방정식에서 E와 E를 대체하는_k 교환 에너지와 자기 결정 이방성 에너지의 합과 같은 벽 에너지_W E를 정의합니다_ex.

안정된 영역 구조는 연속 벡터장으로 간주되는 자화 함수 M(x)이며, 재료 전체에 걸쳐 총 에너지 E를 최소화한다.최소값을 구하기 위해 변화 방법을 사용하여 윌리엄 풀러 브라운 주니어의 이름을 따서 브라운 방정식이라고 하는 일련의 비선형 미분 방정식을 만듭니다.이러한 방정식은 안정된 도메인 구성 M(x)에 대해 원칙적으로 풀 수 있지만, 실제로는 가장 간단한 예만 풀 수 있다.해석해법은 존재하지 않으며, 유한요소법에 의해 계산되는 수치해법은 도메인 크기와 벽 크기 간의 스케일 차이가 크기 때문에 계산적으로 다루기 어렵다.따라서, 마이크로 자기학은 벽으로부터 멀리 떨어진 영역의 대부분에서 쌍극자의 자화가 모두 같은 방향의 점이라고 가정하는 근사적인 방법을 발전시켜 왔고, 수치 해법은 자화가 빠르게 변화하고 있는 영역 벽 근처에서만 사용된다.

도메인 이미징 기술

자성 물질의 표면에서 자화를 시각화하는 데 사용할 수 있는 많은 현미경 검사 방법이 있습니다.모든 도메인이 동일한 것은 아니기 때문에 각 메서드에는 다른 응용 프로그램이 있습니다.자성 재료에서 도메인은 원형, 사각형, 불규칙, 연장 및 줄무늬일 수 있으며 모두 크기와 치수가 다양합니다.

자기광학커효과(MOKE)

자화면에서 반사되는 빛의 편광의 회전인 자기광학적 커 효과를 사용하는 커 현미경으로 25~100마이크로미터 범위의 큰 영역을 쉽게 볼 수 있다.

로렌츠 현미경법

로렌츠 현미경은 자기 영역 구조를 나노 크기로 ^[9]연구하기 위해 사용되는 투과 전자 현미경 기술의 집합체이다.가장 일반적인 기술에는 병렬 빔 TEM 모드의 프레넬 모드, 푸코 모드 및 저각도 전자 회절(LAD) 및 스캔 TEM 모드의 차등 위상 대비(DPC)가 있습니다.축외 전자 홀로그래피는 나노 크기의 자기장을 검출해 자기 구조를 관측하는 데 사용되는 관련 기술이다.

자기력 현미경법(MFM)

서브 마이크로 도메인 구조를 수 나노미터로 축소하는 또 다른 기술은 자력 현미경 검사입니다.MFM은 자기 코팅된 프로브 팁을 사용하여 샘플 표면을 스캔하는 원자력 현미경의 한 형태입니다.

비터법

비터 패턴은 프랜시스 ^[10]비터에 의해 처음 관찰된 자기 영역을 영상화하는 기술이다.이 기술은 강자성 물질의 표면에 소량의 자성 유체를 놓는 것을 포함한다.자성유체는 영역 내에 위치한 물질의 영역보다 높은 자속을 갖는 자기 영역 벽을 따라 배치됩니다.수정된 Bitter 기법이 널리 사용되는 장치인 Large Area Domain Viewer에 통합되었습니다. Large Area Domain Viewer는 특히 입자 지향 실리콘강 ^[11]검사에 유용합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

• Jiles, David (1998). Introduction to magnetism and magnetic materials. London: Chapman & Hall. ISBN 0-412-79860-3.

외부 링크

• Magnetus und Magnetoptik : 자기와 광자기학에 관한 독일어 텍스트