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MADEA : Structuration en domaine de Weiss d'un matériau ferromagnétique - Grenoble INP - G2Elab

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MADEA : Structuration en domaine de Weiss d'un matériau ferromagnétique

Origine de la décomposition  en domaines

Du point de vue de l'énergie magnétostatique, l'état d'aimantation uniforme associé au ferromagnétisme est défavorable et le champ d'excitation associé à l'aimantation de l'échantillon est en conséquence appelé champ démagnétisant. Pour cette raison, la polarisation n'est généralement pas uniforme et on observe une « mozaïque » de zones où la polarisation est uniforme et de module égal à l'intensité de la polarisation à saturation Js, la direction de la polarisation variant d'une zone à l'autre. Ces zones sont appelées domaines de Weiss, et les frontières qui séparent deux domaines sont appelées parois de Bloch.
MADEA : Structure en domaines de Weiss
Figure 1 : Illustration du principe de la décomposition en domaines magnétiques sur un monocristal de géométrie cubique présentant une direction d'aimantation facile le long de Oz. L'énergie démagnétisante associée à l'état de polarisation uniforme (a) est considérablement diminuée par la neutralisation des charges magnétiques associées à l'état de polarisation alternée (b). La situation (c) qui annule complètement le terme d'énergie démagnétisante est possible si la direction Ox est également direction d'aimantation facile.

A l'intérieur de chaque domaine, la polarisation est dirigée suivant un axe d'aimantation facile de sorte que la situation est optimale du point de vue des interactions d'échange ferromagnétiques et de l'anisotropie magnétocristalline, alors que l'intrication des charges magnétiques + et - résultant de la structure alternée réduit sensiblement l'énergie démagnétisante. Cela est réalisé au prix de la création des parois de Bloch qui, comme on le verra plus loin, présentent une énergie surfacique w non nulle, fonction des interactions d'échange et de l'anisotropie magnétocristalline. La largeur des domaines qui minimise l'énergie totale résulte ainsi d'un compromis entre le gain réalisé sur l'énergie démagnétisante et le surcoût occasionné par les parois.

La  structure en bandes de la figure 1b constitue un cas simple. En fait, le matériau trouve souvent des alternatives plus avantageuses, illustrées ici par les structures présentées en (1c) et (1d). On note que dans le cas de la décomposition de la figure (1c), l'énergie magnétostatique est nulle. Dans ce cas, c'est l'énergie magnétoélastique stockée dans les domaines de fermeture (on raisonne sur un état de déformation imposé par les domaines principaux) qui intervient dans la solution de compromis.

Structures en domaines dans les échantillons monocristallins

En général, la topologie de la structure en domaine n'est simple que dans le cas de monocristaux qui de surcroît présentent une géométrie en adéquation avec la symétrie cristalline. La structure en bandes de la figure (1b) ne peut ainsi s'établir que si l'arête verticale du cube coïncide avec une direction d'aimantation facile. La situation (1c) présente des domaines aux voisinages des interfaces (hachurés sur la figure) qui permettent au flux d'induction de se reboucler dans l'échantillon sans passer par l'air. Pour cette raison ces domaines sont dénommés domaines de fermeture. Cette structure ne s'établit que si les axes x et z correspondent à des directions faciles. Enfin, la situation (1d) présente une structure que l'on rencontre dans le cas de symétries uniaxiales ou hexagonales (cas du cobalt par exemple) d'axe facile z. La structure en domaines secondaires (grisés) réalise une dilution des charges plus économique que la seule structure en bandes. Enfin, plusieurs types de structures en domaines de topologies différentes mais d'énergie résultante voisine s'offrent parfois à un échantillon donné (cf. figure 2). La configuration observée dépend alors de l'histoire passée de l'échantillon.

MADEA : Echantillon YLuBi (bulles)MADEA : Echantillon YLuBi (labyrinthe)
                                (a)                                                           (b)

Figure 2 : Visualisation par effet Faraday de la structure en domaines d'un échantillon (YLuBi)3 (FeGa)5 O12 monocristallin d'épaisseur e = 5,3 mm (épitaxie en phase liquide réalisée au Leti-CEA, sur substrat monocristalin de GGG (Gd3Ga5O12).  L'échantillon présente une anisotropie uniaxiale de direction facile perpendiculaire au plan de l'échantillon suffisamment forte pour imposer une aimantation perpendiculaire. Les domaines dont l'aimantation pointe vers le haut apparaissent en noir, ceux d'orientation opposée apparaissent en blanc. Les structures observées (bulles, labyrinthe) sont fonction de l' «histoire» de l'échantillon (température, champ). La longueur caractéristique (diamètre d'une bulle ou largeur d'une bande) est de l'ordre de 5,5 µm (avec l'aimable autorisation de Pierre Molho)

Structures en domaines dans les polycristaux

La situation des échantillons polycristallins est généralement plus complexe que dans le cas de monocristaux. Les orientations cristallographiques différant d'un grain à l'autre, les directions d'aimantation facile changent d'un grain à l'autre. Dans les systèmes présentant une taille de grains supérieure à la longueur de corrélation magnétique, (ce qui n'est pas le cas des matériaux nanocristallins doux et à plus forte raison des amorphes), chaque grain tend à réaliser une aimantation dirigée selon une direction d'aimantation facile qui lui est propre de sorte que les charges magnétiques sont localisées sur les surfaces de l'échantillon mais aussi à l'interface des grains.

La densité des charges au niveau d'un grain varie considérablement en fonction de l'orientation du grain considéré mais aussi de l'orientation des grains voisins. Dans les matériaux présentant une cristallisation aléatoire, l'observation des structures en domaines révèle généralement une situation inextricable.

Les matériaux texturés réalisent une situation plus simple : les grains présentent en effet des orientations cristallographiques voisines, et des tailles de grains (parfois centimétriques) bien supérieures à la dimension caractéristique des grains d'un matériau non texturé. En fonction des désorientations résiduelles, une multitude de structures peuvent apparaître. La figure 3 présente une structure en domaines particulièrement simple obtenue sur une tôle FeSi de transformateur électrique de texture GOSS. L'existence d'une direction d'aimantation facile dans le plan de la tôle permet l'établissement d'une structure en domaines en bande dans le plan de la tôle.
MADEA : Domaines FeSi GOSS
Figure 3 : Visualisation par effet Kerr longitudinal des domaines dans une tôle de FeSi de texture GOSS.  Les frontières des grains sont surlignées pour plus de clarté. La tôle est soumise à une contrainte de traction de 9 MPa dans la direction de laminage (D.L.).
Responsable
 
Olivier GEOFFROY
 
 
G2ELAB
Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble
Bâtiment GreEn-ER, 21 avenue des martyrs, CS 90624, 38031 Grenoble CEDEX 1, FRANCE

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