Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ABOUT STIFFNESS FACTOR OF DOMAIN BOUNDARIES IN ELECTRICALLY AND MAGNETICALLY ORDERED SYSTEMS, MEDIATED BY THEIR SEGMENTS DEFLECTION IN EXTERNAL FIELDS

Gadalov V.N. 1 Rodionov A.A. 1, 1 Samoylov V.V. 2
1 South-West State University, Kursk
2 JSC "Geofizika-Cosmos" Research & Production Enterprise
Рассмотрено влияние прогиба сегментов доменных границ, закрепленных, в том числе линейными дефектами, на коэффициент жесткости доменных границ. Показано, что это влияние на суммарный коэффициент жесткости может быть особенно существенным, когда энергия на единицу площади доменных границ не мала. С ростом длины закрепления доменных границ эта составляющая суммарного коэффициента жесткости увеличивается, а при длине закрепления доменных границ стремящейся к бесконечности она зануляется. В динамическом режиме доменным границам с большими массами будет соответствовать большее значение жесткости, связанной с прогибом сегментов доменной границы. Величины коэффициента жесткости, связанного с прогибом сегментов доменной границы, в квазистатическом и динамическом режиме колебаний доменных границ могут отличаться на порядок.
IIn this article, the influence of deflection of the domain boundaries segments, fixed by streak defects, on a stiffness factor of domain boundaries is investigated. It is shown, that this influence on a total stiffness factor can be especially essential when the energy per unit of domain boundaries area is not small. With growth of domain boundaries pinning this component of a total stiffness factor is increased, and at tending to infinity domain boundaries pinning it became null. In a dynamic mode, domain boundaries with greater masses are conforming to the greater values of stiffness, associated with domain boundaries segments deflection. Values of this stiffness in quasi-static and dynamic modes of domain boundaries oscillations may differ by an order of magnitude.
ferroelectrics
multiferroics
domain boundaries
Seignette´s salt
1. Aramanovich A.G., Levin V.I. Uravneniya matematicheskoy fiziki [Equations of mathematical physics]. Moscow, Nauka publ., 1969, p. 77.
2. Plavskiy V.V. Chislenniy raschet domennykh granits v realnykh kristallakh [Numerical calculation of domain borders in real crystals]. Ufa, Ufa Science Center of Russian Academy of Science, 1999.
3. Rodionov A. A., Zhelanov A.L. Tezisy dokladov Mezhdunarodnoy Konferentsii «Strukturnaya relaksatsiya v tverdykh telakh» (Proc Int. Conference "Structural Relaxation in Solids") Vinnytsia, 2003, pp. 161-163.
4. Rodionov A.A., Zhelanov A.L. Osobennosti dissipatsii energii v magnetikakh, svyazannye s obratimymi smescheniyami domennykh granits v soprovozhdayuschikh polyakh. Sbornik Rossiyskogo Akusticheskogo Obschestva «Ultrazvuk i termodinamicheskie svoystva veschestva» [Collected Articles by Russian Acoustic Society "Ultrasound and thermodynamic properties of substance"], Kursk, 2003, pp. 35-42.
5. Rodionov A.A., Ignatenko N.M. Uprugie I neuprugie yavleniya v segnetoelektrikakh v oblasti lineynogo otklika [The resilient and inelastic phenomena in a ferroelectric material in the area of the linear response]. Kursk, 2006, 172 p.

Как известно, доменные границы (ДГ) в ферромагнетиках, ферритах, сегнетоэлектриках и сегнетомагнетиках, а также в антиферромагнетиках и антисегнетоэлектриках обладают свойством противодействовать при их смещении внешней силе F0, то есть в линейном приближении F0 = kx, где k - жесткость, а x - смещение ДГ из ее исходного положения. Величина k имеет несколько составляющих. Одна из них возникает, например, в ферромагнетиках, не имеющих дефектов, где предполагается, что ДГ - плоская, не меняющая свою кривизну, и связана она с тем, что под действием внешней силы σ возникает разность магнитоупругих (или электроупругих) энергий, приводящая к возникновению возвращающей силы, пропорциональной смещению ДГ. Если в поле σ или магнитном H эти энергии для двух соседних доменов будут одинаковы (как для 180° ДГ), то эта сила не возникает. В некоторых кристаллах, как например в сегнетовой соли, из-за наличия в них электроупругой энергии, связанной с пьезострикцией (она линейна по σ и по  (спонтанная поляризация), появляются под действием σ смещения 180° ДГ, в то время как её электрострикционная часть  вклада в смещение этих ДГ не дает. Но 90° ДГ смещаются за счет обеих составляющих электроупругой энергии. При смещении ДГ вдоль ее границы возникают магнитные полюса, за счет которых также появляется возвращающая сила

[2],

где N - размагничивающий фактор, а q0 - размер домена вдоль x, т.е. жесткость

 

Однако есть еще одна составляющая жесткости ДГ. Она возникает за счет того, что ДГ, закрепленная на краях доменов, имеющих размер вдоль z-направления lГ, изгибается, располагаясь на отрезке z от  до . Когда на такую изначально плоскую ДГ действует сила F0, которая однородна вдоль z-оси, ДГ прогибается, как горизонтальная струна, закрепленная на её краях, в поле силы тяжести, приобретающая форму цепной линии. Этот случай прогиба ДГ рассмотрен в работах [2, 3], а подробно в [4, 5]. Там показано, что смещение ДГ х^ зависит от т, в виде:

  (1)

для 90° ДГ в плоскости (110) с размером доменов вдоль её смещения q012.

Здесь γ - энергия единицы площади ДГ,

 

К - жесткость ДГ, связанная с разностью магнитоупругих энергий вдоль смещения ДГ для идеальных бездефектных кристаллов, , Hc - магнитное поле, приложенное в плоскости (001) с направляющими его углами β1, β2, то есть в данном случае прогиб ДГ возникает за счет поля Hc. В случае если на ДГ действует упругое напряжение σ, возникает величина D12 за счет неодинаковости в соседних доменах магнитоупругих энергий (объемная плотность). В общем случае она является функцией σij, то есть направляющих косинусов напряжения σ и ориентации в них векторов спонтанной намагниченности. Если произвести усреднение по z зависимости х12(z), то получается среднее смещение ДГ:

 (2)

Однако при таком смещении ДГ возникает дополнительная возвращающая сила, связанная с коэффициентом жесткости К в идеальных кристаллах и  за счет размагничивающих полей. Таким образом, в формуле (2), где  - гиперболический тангенс, при смещении ДГ на расстояние <х12> на нее действуют в нашем случае три возвращающие ее в положение равновесия силы

 ,

где KD - жесткость ДГ, обусловленная ее стремлением распрямиться. То есть KD - это отношение средней по z спрямляющей силы  к смещению ДГ. В таком виде сила в точке z по [3], спрямляющая границу, равна . Далее находим для  среднюю силу по z и для нее получаем соотношение:

 (3)

где введены обозначения:

  

Величина KD приближенно равна отношению этой силы к среднему смещению x12. ДГ:

 (4)

Структурно-чувствительной величиной здесь может являться lz, которая зависит от концентрации, вида и распределения дефектов по кристаллу.

Если, например, для железа

m = 1,2∙10-10 г/см2, γ = 2 эрг/см2, а lz = 0,04 см, то α @ 4,5∙10-1 см-1

и если

 дин/см3,

то KD @ 0,02 дин/см3.

То есть тогда КΣ = 1,02 дин/см3, а

 

Это соответствует собственным частотам колебаний ДГ в кристаллах железа, в то же время ω0 также становится структурно-чувствительной величиной, зависящей от дефектности магнетика и его магнитоструктурных и упругих параметров. Если взять сегнетоэлектрик, например, BaTiO3, то в <х12> величина  B12 = K + KN + KD, где е - напряженность электрического поля, Рs - спонтанная поляризация. В сегнетомагнетиках есть упругая, магнитоупругая и упруго-электрическая и магнитоэлектрическая подсистемы, то есть суммарный коэффициент жесткости КΣ будет состоять из первых трех составляющих. Упругая, например, подсистема сегнетомагнетика предопределяет жесткость ДГ бездефектных кристаллов, а ДГ является совмещенной за счет магнитоэлектрической подсистемы.

Рассмотрим далее уже в динамическом режиме жесткость КD, когда ДГ колеблется под действием периодической силы. В этом случае зависимость х12(z) может быть найдена из уравнения:

 (5)

Здесь ДГ закреплены в точках z = 0 и lz. Решение этого уравнения, например, даже при βс = 0, k = 0 имеет громоздкий вид. Оно представляет суперпозицию по гармоникам в , при n = 0,12. При четных гармониках средние значения по z x12(t,z) зануляются, а для нечетных с ростом n амплитуды смещения по [1] уменьшаются. Например, для n составляющей:

(6)

где , Т - сила натяжения ДГ, m - масса её единицы площади,

Решение (5) отличается от (6) для n = 0 тем, что масса ДГ будет завышать в (5) в сравнении с (6) среднее значение х12(z). Это соответствует некоторой убыли величины KD в динамическом режиме в сравнении с квазистатическими колебаниями ДГ. В то же время вязкость β в режиме (5) способствует уменьшению среднего значения х12(z), т.е. возрастанию КD. В (6) также не учитывается та жесткость К ДГ, которая получается для бездефектных кристаллов, когда при смещениях ДГ остается плоской.

Заключение

Учет жесткости с её ростом занижает амплитуду, а значит среднее смещение ДГ, и дает некоторое увеличение КD. Однако значения КD для динамического и статического смещения, по-видимому, могут отличаться на порядок.

Работа поддержана грантом НК-529 П(10). Госконтракт П-807.

Рецензенты:

  • Кузьменко А.П., д.физ.-мат.н., профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», г. Курск;
  • Серебровский В.И., д.т.н., профессор, проректор по УР ФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия», г. Курск.

Работа поступила в редакцию 25.06.2012.