Domänen in Festkörpern

Domänen bezeichnen in Festkörpern mesoskopische Bereiche, in denen ein Ordnungsparameter – etwa Magnetisierung, Polarisation oder spontane Dehnung – räumlich weitgehend homogen ist. Unterschiedliche Domänen sind durch Domänenwände getrennt, über die der Ordnungsparameter kontinuierlich oder diskontinuierlich seine Orientierung bzw. Richtung ändert.

In ferromagnetischen Materialien sind magnetische Domänen Volumenbereiche mit einheitlicher Magnetisierungsrichtung. Ihre Ausbildung minimiert die Gesamtenergie aus Austausch-, Magnetostatik-, Anisotropie- und elastischen Beiträgen. Analoge Konzepte gelten für ferroelektrische Domänen, in denen eine spontane elektrische Polarisation homogen ausgerichtet ist, sowie für ferroelastische Domänen, die sich durch unterschiedliche spontane Dehnung bzw. Kristallorientierung unterscheiden.

Die Geometrie und Größe von Domänen (inkl. sogenannter Superdomänen) wird durch Defekte, Korngrenzen, Spannungszustände und externe Felder kontrolliert. Domänenwände können als funktionale 2D-Defekte besondere Eigenschaften (z.B. erhöhte Leitfähigkeit in bestimmten ferroelektrischen Systemen) aufweisen und stellen wichtige Schaltbereiche in Speicher- und Aktorbauelementen dar.

Domänenkonzepte sind auch in weicher Materie und Biopolymeren verbreitet (z.B. „kohlenhydratbindende Domänen“ in Proteinen), wobei der Ordnungsparameter dann strukturell oder funktional definiert ist. Insgesamt sind Domänen eine zentrale Beschreibungsebene zwischen atomarer Struktur und makroskopischen Eigenschaften und entscheidend für das Verständnis sowie das Engineering funktionaler Werkstoffe.

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