Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng lên tính chất từ của dây nano

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn đã tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng lên tính chất từ của dây nano CoNiP. Nội dung luận văn gồm 3 phần chính: Chương 1 - Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoNiP, Chương 2 - Các phương pháp thực nghiệm, Chương 3 - Kết quả và thảo luận.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng lên tính chất từ của dây nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Vũ Thị Thanh ẢNH HƢỞNG CỦA TỪ TRƢỜNG TRONG QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA DÂY NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Vũ Thị Thanh ẢNH HƢỞNG CỦA TỪ TRƢỜNG TRONG QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA DÂY NANO Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :TS.LÊ TUẤN TÚ Hà Nội - 2014
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy giáo TS. Lê Tuấn Tú, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ em trong việc định hướng luận văn và trả lời những thắc mắc về đề tài luận văn. Em xin chân thành cảm ơn thầy! Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN đã truyền đạt những kiến thức chuyên ngành vô cùng quý báu. Em xin cảm ơn những thầy cô đã giảng dạy em trong những năm qua, những kiến thức mà em nhận được trên giảng đường sẽ là hành trang giúp em vững bước trong tương lai. Em xin gửi lời cảm ơn tới anh Lê Văn Thiêm, người đã hướng dẫn, hỗ trợ em trong các bước tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu tài liệu. Cám ơn sự hỗ trợ của đề tài VNU QG.14.14. Em cũng không quên gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những anh chị đã đồng hành, giúp đỡ em trong quá trình tìm tài liệu, trao đổi kiến thức cũng như truyền đạt những kinh nghiệm giúp em có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Và lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình của mình. Cảm ơn cả gia đình đã luôn bên con, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho con trong suốt thời gian qua. Sau cùng, em xin kính chúc toàn thể các thầy cô giáo luôn mạnh khoẻ, hạnh phúc và thành công trong công việc và cuộc sống. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 8 năm 2014 Học viên Vũ Thị Thanh
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................1 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoNiP ....4 1.1. Giới thiệu về dây nano ......................................................................................4 1.1.1. Các dây nano tạo mảng và phân tán ...........................................................5 1.1.2. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp......................................5 1.2. Tính chất từ của dây nano từ tính và sự ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng .........................................................................................................6 1.2.1. Dị hướng hình dạng ....................................................................................6 1.2.2. Chu trình từ trễ ...........................................................................................7 1.2.3. Một số ảnh hưởng của từ trường ................................................................8 1.3. Một số ứng dụng của dây nano từ tính ...........................................................10 1.3.1. Tăng mật độ bộ nhớ bằng các dây nano ...................................................10 1.3.2. Động cơ điện từ cỡ nhỏ ............................................................................11 1.3.3. Thao tác phân tử sinh học........................................................................12 1.3.4. Hệ thống cảm biến sinh học treo .............................................................13 1.3.5. Phân phối gen ...........................................................................................14 1.4. Giới thiệu vật liệu CoNiP và một số tính chất của vật liệu CoNiP ................14 CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM....................................18 2.1. Phương pháp chế tạo.......................................................................................18 2.1.1. Một số phương pháp chế tạo ....................................................................18 2.1.2. Phương pháp lắng đọng điện hóa .............................................................20 2.2. Chế tạo mẫu ....................................................................................................23 2.3. Các phương pháp phân tích ............................................................................24 2.3.1. Phương pháp Vol-Ampe vòng (CV) ........................................................24 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .........................................................26 2.3.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................................28 2.3.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................................30
2.3.5. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ........................................................31 2.3.6. Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) ................................................................33 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................36 3.1. Kết quả đo Vol-Ampe vòng (CV) ..................................................................36 3.2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào thời gian .................................................36 3.3. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ...........................................................38 3.3.1. Hình thái học bề mặt của khuôn polycarbonate (PC) ..............................38 3.3.2. Hình thái học của mẫu ..............................................................................38 3.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ...............................................................................39 3.4.1. Phổ nhiễu xạ tia X ....................................................................................39 3.4.2. Hằng số mạng tinh thể ..............................................................................40 3.5. Kết quả đo hiển vi điện tử truyền qua (HRTEM) ...........................................41 3.6. Kết quả phổ tán sắc năng lượng (EDS) ..........................................................42 3.7. Tính chất từ .....................................................................................................43 3.7.1. Đường cong từ trễ.....................................................................................43 3.7.2. Lực kháng từ Hc........................................................................................45 3.7.3. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms tại nhiệt độ phòng vào từ trường ...46 3.7.4. Tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms..................................................47 3.7.5. Trường dị hướng Hk và năng lượng dị hướng KU ...................................48 KẾT LUẬN ..............................................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................52
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. (a) dây nano đơn đoạn; (b) dây nano hai đoạn; (c) dây nano nhiều lớp hai thành phần; (d) chức năng hóa của dây nano hai thành phần .............................5 Hình 1.2. (a) Dây nano Co bị phân tán; (b) Dây nano CuS được tạo mảng ..............5 Hình 1.3. (a) Dây nano CoPtP một đoạn; (b) Dây nano CoPtP sáu đoạn .................6 (c) Dây nano nhiều lớp Fe – Au ..................................................................................6 Hình 1.4. Ba hình elipxoit đặc trưng...........................................................................7 Hình 1.5. Chu trình từ trễ của một mảng dây nano Ni: (a) từ trường H đặt song song với trục của dây nano; (b) từ trường H đặt vuông góc với trục của dây nano ..............8 Hình 1.6. Lực kháng từ của vật liệu CoPtP với các giá trị khác nhau của từ trường 9 Hình 1.7. Hình ảnh AFM của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa: (a) không có từ trường ngoài; (b) có từ trường ngoài (1 Tesla) ......................................................9 Hình 1.8. Mô hình lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ "racetrack" ..................................11 Hình 1.9. Động cơ điện từ cỡ nhỏ ............................................................................12 Hình 1.10. (a ) Sơ đồ phân tách các protein His từ các protein chưa được đánh dấu; (b) phân tách các kháng thể poly–His từ các kháng thể khác ..................................13 Hình 1.11. (a) Sự tương tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano kim loại được mã hóa; (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian được thực hiện trên một dây nano ......................................................................................................13 Hình 1.12. Cấu trúc tinh thể CoNiP..........................................................................14 Hình 1.13. Sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày của màng CoNiP: vuông góc (đường hình tròn) và song song (đường hình vuông) ........................................15 Hình1.14. (a) Ảnh TEM từng thành phần của màng CoNiP; (b) Thông tin các thành phần được đo bởi phép đo phổ tia X (XPS); (c) Tỉ lệ [Co]/[Ni] thể hiện như một hàm của độ dày .........................................................................................................16 Hình 1.15. (a) ảnh TEM cắt từng phần với độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện tử .16 Hình 1.16. Sự phụ thuộc của hình thái bề mặt của CoNiP vào nồng độ NaH2PO2 (a): 0 M; (b): 0,019 M; (c):0,028 M và (d): 0,146 M ...............................................17 Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí ngiệm phương pháp lắng đọng điện hóa khi không .........22 có từ trường ngoài .....................................................................................................22 Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí ngiệm phương pháp lắng đọng điện hóa khi có từ trường ngoài ....23
Hình 2.3. Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV .....................................................25 Hình 2.4. Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể .............................................................26 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy XRD ...........................................................26 Hình 2.6. Máy nhiễu xạ tia X D5005 ........................................................................28 Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét ...........................................................................29 Hình 2.8. (a) Kính hiển vi điện tử truyền qua; (b) sơ đồ nguyên lý của hiển vi điện tử truyền qua .............................................................................................................30 Hình 2.9. Phổ tán sắc năng lượng tiaX (EDS) ..........................................................33 Hình 2.10. Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) ...............................................................34 Hình 2.11. Mô hình từ kế mẫu rung .........................................................................34 Hình 3.1. Kết quả đo CV của dung dịch CoNiP .......................................................36 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng theo thời gian ..........................................37 Hình 3.3. Ảnh SEM của khuôn PC ............................................................................38 Hình 3.4. Ảnh hiển vi điện tử quét của dây CoNiP ..................................................39 Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của dây nano CoNiP ..................................................40 Hình 3.6. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của dây CoNiP với H = 0 Oe .................41 Hình 3.7. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của dây CoNiP với H = 2100 Oe ...........42 Hình 3.8. Phổ EDS của dây nano CoNiP ................................................................43 Hình 3.9. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 0 Oe. ....................................44 Hình 3.10. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 750 Oe, 1200 Oe ...............44 Hình 3.11. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 1500 Oe, 2100 Oe .............45 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào từ trường của dây CoNiP ...............46 Hình 3.13. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào từ trường của dây CoNiP .............47 Hình 3.14. Sự phụ thuộc của tỷ số Mr/Ms vào từ trường của dây CoNiP ................48 Hình 3.15. Sự phụ thuộc của Hk vào từ trường của dây CoNiP...............................49 Hình 3.16. Sự phụ thuộc của KU vào từ trường của dây CoNiP ...............................50
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ nano là hướng nghiên cứu thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp bởi những ứng dụng to lớn của chúng trong sản xuất các thiết bị công nghiệp, y sinh, hàng không… Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các phát minh, sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano tăng theo cấp số mũ. Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó. Ví dụ một nano giây là nói đến một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất tại các quy mô lớn hơn. Khái niệm công nghệ nano được nhà vật lý học Richard Feynman nhắc đến lần đầu tiên trong bài diễn văn đọc tại Hội nghị các nhà vật lý Mỹ năm 1959. Khi đó, ông đã dự báo một thời kỳ mà người ta có thể ráp nguyên tử với nguyên tử, phân tử với phân tử, các công cụ thật nhỏ giúp sản xuất các vật chất nhỏ hơn nữa. Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của các ngành khoa học. Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo ra một cuộc cách mạng trong những ứng dụng y sinh học. Đây là lĩnh vực phát triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã được phát triển như phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào cũng như một loạt các ứng dụng y học và trị liệu tiềm năng [2, 4]. Trong ngành công nghiệp, các tập đoàn sản xuất điện tử đã đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lí cực nhanh, các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn các thiết bị với công nghệ micro trước đó [10]… Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano, các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh được các hiệu ứng phụ gây ra cho tế bào lành. Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu được quan tâm nhất đối với sức khỏe con 1
người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lây lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung, mất trí nhớ. Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ nano vào giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến ta không thể hình dung nổi. Hiện nay, việc chế tạo các dây nano từ tính đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Có thể kể đến một số cường quốc đang chiếm lĩnh thị trường công nghệ này hiện nay là: Mĩ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga và một số nước Châu Âu… Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu, chế tạo các vật liệu nano để sử dụng các ứng dụng của nó. Tại bộ môn Vật lí Nhiệt độ thấp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, nhóm nghiên cứu chế tạo màng, chế tạo dây có kích thước nano cũng đã được hình thành và đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, với các loại dây đơn chất như Ni, Fe, Co và các loại dây hợp kim như CoFe, NiFe, CoPt... và được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như: lắng đọng chùm phân tử (MBE), phún xạ catot, nhiệt cacbon, bốc bay nhiệt, điện hoá…[20]. Trong các phương pháp chế tạo trên, phương pháp lắng đọng điện hóa có những ưu điểm hơn các phương pháp khác. Huang et al là người đầu tiên báo cáo sự lắng đọng của các dây nano CoPt sử dụng điện hóa. Một nhược điểm của việc chế tạo sử dụng phương pháp này là sự khó khăn trong việc có được một pha hoàn hảo. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào một số hướng xử lý đầu tiên đó là thay đổi đường kính của mẫu [17], thay đổi giá trị pH của chất điện phân, thay đổi mật độ trong quá trình điện hóa [18], thay đổi thành phần của dây hoặc ống nano… [19]. Trong một số bài báo, các nhóm nghiên cứu đã chỉ ra được sự ảnh hưởng mạnh mẽ của từ trường lên tính chất tinh thể và tính chất từ của dây nano CoPt. Hiểu về sự ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và chế tạo các dây nano và ống nano. Chính vì vậy luận văn của em 2
đã tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng lên tính chất từ của dây nano CoNiP. Nội dung luận văn gồm 3 phần chính: Chương 1 - Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoNiP. Chương 2 - Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3 - Kết quả và thảo luận. 3
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoNiP 1.1. Giới thiệu về dây nano Sự kết hợp giữa sinh vật học và vật lý học đã tác động đến nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật ở quy mô micro và nano. Trong những lĩnh vực đó thì từ y sinh là lĩnh vực cực kỳ thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Hầu hết các hạt từ tính sử dụng đều có dạng hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hóa các phối tử độc hại về sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng của các hạt từ tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và công nghệ sinh học, các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện nhiều chức năng. Trong nhiều trường hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến. Dây nano từ tính là một dạng của hạt từ tính. Dây nano còn gọi là thanh nano, nó có cấu trúc dị hướng gần như một chiều, với tỷ số giữa chiều dài và đường kính của dây rất cao. Các dây nano cũng cho thấy các tính chất điện kì lạ nhờ vào sự thay đổi hình dạng. Khi vật liệu giảm kích thước xuống nano mét, tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt và số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vâ ̣t liê ̣u khố i. Các dây nano từ tính sở hữu các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau hoàn toàn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối, dạng hạt hình phỏng cầu và dạng màng mỏng. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trên các tấm xốp có kích thước lỗ cỡ nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5 đến 500 nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60 µm. Các tính chất từ quan trọng của dây nano từ tính như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư… phụ thuộc rất mạnh vào các tham số công nghệ như đường kính, chiều dài và thành phần hóa học của dây [17]. Trong nghiên cứu khoa học cũng như trong ứng dụng thực tế có hai loại dây nano đang được sử dụng một cách rộng rãi đó là dây nano từ tính một đoạn và dây nano từ tính nhiều đoạn. Hình 1.1 cho ta hình ảnh về dây nano từ một đoạn và dây nano từ nhiều đoạn. 4
Hình 1.1. (a) dây nano đơn đoạn; (b) dây nano hai đoạn; (c) dây nano nhiều lớp hai thành phần; (d) chức năng hóa của dây nano hai thành phần 1.1.1. Các dây nano tạo mảng và phân tán Trong hầu hết các ứng dụng, dây nano đều được sử dụng ở dạng cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc. Hình 1.2. (a) Dây nano Co bị phân tán; (b) Dây nano CuS được tạo mảng [17] Hình 1.2(a) chỉ ra ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70 nm. Trên hình 1.2(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm. 1.1.2. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện được nhiều chức năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã được nghiên cứu chuyên sâu, cũng do đó mà khám phá được nhiều chức năng vốn có của chúng. 5
Hình 1.3. (a) Dây nano CoPtP một đoạn; (b) Dây nano CoPtP sáu đoạn (c) Dây nano nhiều lớp Fe – Au [14] Hình 1.3(a) thể hiện hình ảnh dây nano CoPtP một đoạn. Hình 1.3(b) cho ta hình ảnh dây nano CoPtP sáu đoạn. Hình 1.3(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều lớp Fe - Au [12, 14, 15]. Đối với dây nano nhiều đoạn, các đoạn có thể được tổng hợp từ các nguyên tố từ - phi từ, điển hình đó là dây nano Ni-Cu, Fe-Cu... Hầu hết các dây nhiều đoạn này đều thể hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) rõ nét [15]. 1.2. Tính chất từ của dây nano từ tính và sự ảnh hƣởng của từ trƣờng trong quá trình lắng đọng 1.2.1. Dị hƣớng hình dạng Đối với vật liệu từ, khi hình dạng của chúng là hình elipxoit hay hình trụ thì sẽ dễ bị từ hóa hơn so với hình dạng là hình cầu (khi hướng từ trường ngoài dọc theo trục dài của vật).Vật liệu có dạng hình cầu, hướng của từ trường không làm ảnh hưởng đến kết quả đo tính chất từ của mẫu. Tuy nhiên, đối với vật liệu có hình dạng khác như màng mỏng hoặc dây thì hướng của từ trường khác nhau cho ta các kết quả khác nhau người ta gọi là dị hướng hình dạng [1]. Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì sinh ra bên trong vật một từ trường chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ. Trường khử từ Hd tỉ lệ với độ từ hóa M tạo ra nó, nhưng có hướng ngược lại, được cho bởi: d = - Nd (1) 6
Trong đó Nd là hệ số trường khử từ phụ thuộc vào hình dạng của vật. Do phép tính khá phức tạp nên giá trị chính xác của Nd chỉ có thể được tính toán bởi một vật hình elipxoit có từ hóa đồng đều trên toàn bộ vật. Một vật elipxoit có bán trục a, b và c (c b a), tổng của các hằng số trường khử từ trên 3 bán trục (Na, Nb, Nc) bằng 4 . Na + Nb + Nc = 4π (2) Với một hướng từ hóa cho trước thì năng lượng từ tĩnh ED (erg/cm3) được cho bởi: ED = NdMs2 (3) trong đó: Ms là từ độ bão hòa của vật. Hình phỏng cầu thon dài Hình elipxoit thon Hình phỏng cầu dẹt Hình 1.4. Ba hình elipxoit đặc trưng Hình 1.4 biểu diễn 3 hình elipxoit đặc trưng thường sử dụng trong nghiên cứu các dây nano có từ tính: hình phỏng cầu thon dài (c > a =b), elipxoit thon (c » a > b) và hình phỏng cầu dẹt (c = b > a). 1.2.2. Chu trình từ trễ Đối với các dây nano, chu trình từ trễ được thể hiện như hình 1.5 [11]. 7
Hình 1.5. Chu trình từ trễ của một mảng dây nano Ni: (a) từ trường H đặt song song với trục của dây nano; (b) từ trường H đặt vuông góc với trục của dây nano Các thông số thường được dùng trong mô tả đặc trưng của mỗi mẫu là từ độ bão hòa Ms, từ dư Mr, trường bão hòa Hsat và lực kháng từ Hc. Quan sát hình 1.5, trường bão hòa Hsat là trường phụ thuộc vào lực kháng từ để đạt tới từ độ bão hòa Ms; từ dư Mr là từ độ của mẫu khi từ trường ngoài mất đi. Từ độ bão hòa Ms của một vật đạt được khi tất cả các momen từ trong vật hoàn toàn song song với nhau. Vì vậy, từ độ bão hòa Ms là tính chất bên trong của vật liệu từ tính, không liên quan tới hình dạng và kích thước của mẫu. 1.2.3. Một số ảnh hƣởng của từ trƣờng Nhóm nghiên cứu Kleber R. Pirota và các cộng sự đã chỉ ra rằng nếu không có từ trường, sự định hướng của hạt trong các lỗ là tương đối tự do. Khi có từ trường, các hạt trong các lỗ khuôn buộc phải định hướng theo hướng của từ trường, tạo thành một kết cấu mạnh mẽ. Do đó khi có từ trường, cấu trúc của dây sẽ chặt chẽ hơn, các định hướng tinh thể cũng sẽ tốt hơn [9]. Với màng mỏng CoPtP, nhóm tác giả Ho Dong Park và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng. Kết quả được thể hiện trong hình1.6. Để tăng lực kháng từ, các tác giả đã tìm ra trong quá trình lắng đọng điện hóa cần phải đặt thêm từ trường ngoài. Từ kết quả thu được cho thấy khi đặt từ trường ngoài từ 0 đến 1Tesla thì lực kháng từ của màng được tăng lên rõ rệt [8]. 8
Hình 1.6. Lực kháng từ của vật liệu CoPtP với các giá trị khác nhau của từ trường Ngoài ra nhóm nghiên cứu cũng thu được hình ảnh hiển vi lực nguyên tử AFM của màng mỏng CoPtP trong trường hợp không có và có từ trường đặt trong quá trình lắng đọng. Hình 1.7. Hình ảnh AFM của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa: (a) không có từ trường ngoài; (b) có từ trường ngoài (1 Tesla) Từ hình ảnh 1.7, ta thấy kích thước hạt nhỏ hơn khi mẫu được lắng đọng trong từ trường. 9
Như vậy từ các nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học cho thấy, từ trường có ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc và tính chất của vật liệu được lắng đọng bằng phương pháp điện hóa. 1.3. Một số ứng dụng của dây nano từ tính Các dây nano có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các ngành khác nhau như y sinh (phân tách các phân tử sinh học, phân phối gen, bẫy từ của các tế bào…) và cảm biến, ghi từ… 1.3.1. Tăng mật độ bộ nhớ bằng các dây nano Các nhà vật lý Mỹ vừa công bố một kỹ thuật mới cho phép chúng ta nhảy thêm một bước trong việc sử dụng các dây nano từ tính cho các linh kiện lưu trữ thông tin mật độ cao. Kỹ thuật này bao gồm việc di chuyển các vách đômen từ (magnetic domain wall) dọc theo một dây nano bằng cách sử dụng mật độ dòng phân cực spin cực nhỏ so với các kỹ thuật trước đây. Các nhà nghiên cứu khẳng định rằng bước nhảy này có thể đem lại một loại bộ nhớ từ mới với mật độ lưu trữ gấp hàng trăm lần so với các bộ nhớ RAM hiện nay. Vách đômen từ tính là một biên hẹp giữa 2 domain từ liên tiếp, mà có vector từ hóa hướng theo hai phương khác nhau. Vách đômen có thể di chuyển trong vật liệu bằng cách đặt một từ trường ngoài hoặc đặt một dòng phân cực spin. Một số nhà vật lý đã tính toán được rằng chuyển động này có thể được khai thác trong các bộ nhớ kiểu "racetrack", mà có thể lưu trữ dữ liệu với mật độ lớn hơn các bộ nhớ RAM hiện tại rất nhiều. Trong một bộ nhớ "racetrack", dữ liệu được lưu trữ theo một dãy của các đômen từ tính - được ngăn cách bởi các vách đômen, dọc theo một dây nano (hình 1.8). Các bit riêng biệt được lưu trữ và truy xuất bằng cách dịch chuyển các dãy này dọc theo các dây nano và cắt ngang đầu đọc, đầu ghi. Nếu công nghệ này thành công, một phương pháp khả thi là sử dụng các dòng phân cực spin để di chuyển các vách domain trong các dây nano.Và thách thức chính là làm sao để giảm mật độ dòng xuống đến mức đủ nhỏ để có thể di chuyển các vách đômen khi mà chúng bị 10
hãm dịch chuyển bởi các sai hỏng trong dây. Hiện tại, mật độ dòng cần thiết là quá lớn cho các bộ nhớ thương phẩm. Hình 1.8. Mô hình lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ "racetrack" Nhưng mới đây, Stuart Parkin cùng các đồng nghiệp ở Trung tâm Nghiên cứu Almaden của IBM (Mỹ) đã tìm ra cách để làm giảm mật độ dòng phân cực đi hơn 5 lần bằng cách khai thác đặc tính, đó là có các tần số dao động riêng của các vách domain bị hãm. Khi cho một chuỗi các xung dòng với chu kỳ xung và độ rộng xung thích hợp, biên độ dao động sẽ tăng cho đến khi vách domain tự vượt qua các sai hỏng và dịch chuyển dọc theo dây [20]. 1.3.2. Động cơ điện từ cỡ nhỏ Chuyển động thẳng hay chuyển động quay là hai loại chuyển động phổ biến trong hầu hết các thiết bị động cơ. Vì vậy, việc kiểm soát các dây nano từ tính để ứng dụng trong các chuyển động này đóng vai trò chủ đạo trong việc phát triển các máy móc ở cấp độ nano. Sự chuyển động thẳng của các dây nano từ thường có được thông qua các gradient từ, trong khi việc kiểm soát các dây nano từ trong chuyển động quay thì phức tạp hơn nhiều [20, 21]. 11
Barbic đã tạo ra chuyển động quay của các roto từ không có chốt quay trong các chất lưu. Các roto từ này là các dây nano từ đơn đômen với chiều dài dây nhỏ hơn 100 µm và chuyển động quay của dây nano từ được kiểm soát bởi một stato bên ngoài chất lưu. Hình 1.9. Động cơ điện từ cỡ nhỏ Hình 1.9 mô tả cấu tạo của loại động cơ này. Stato của động cơ được tích hợp bởi những cuộn dây và các đầu nhọn cỡ micro. Mỗi cuộn dây này được làm từ vật liệu từ mềm và có xấp xỉ 10 vòng dây với đường kính mỗi dây là 25 µm cuốn quanh một vật liệu từ mềm có đường kính được sắp xếp vào một tam giác đều sao cho khoảng cách giữa các đầu nhọn là 50 µm. Các đầu nhọn của stato liên kết với ba bộ khuếch đại dòng độc lập với nhau bởi các kênh D/A, chú ý là các kênh D/A này cũng độc lập với nhau. Việc kiểm soát các kênh này được thiết lập sao cho ba cuộn dây trong stato được điều khiển bởi ba dòng điện hình sin với độ lệch pha giữa mỗi dòng điện là 1200. Kết quả là, stato có thể gây ra các lực hút và lực đẩy hình sin lên roto từ, bằng cách này mà các roto từ sẽ quay dưới tác động của stato [21]. 1.3.3. Thao tác phân tử sinh học Các dây nano từ tính có thể được sử dụng trong phân tách các phân tử sinh học. Cả các dây nano từ tính đơn đoạn và dây nano từ tính nhiều đoạn đều được sử dụng để phân tách tế bào. Nói chung, các dây nano từ tính tốt hơn các hạt hình cầu 12
từ tính trong phân tách tế bào. Có thể thao tác các phân tử sinh học bằng cách sử dụng các dây nano từ tính dưới tác động của từ trường ngoài, điều này là cơ sở của nhiều ứng dụng y sinh của các dây nano từ tính. Trong hình 1.10 là trường hợp phân tách tế bào bằng cách sử dụng các dây nano nhiều đoạn: Hình 1.10. (a ) Sơ đồ phân tách các protein His từ các protein chưa được đánh dấu; (b) phân tách các kháng thể poly–His từ các kháng thể khác [16] 1.3.4. Hệ thống cảm biến sinh học treo Hình 1.11. (a) Sự tương tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano kim loại được mã hóa; (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian được thực hiện trên một dây nano [19] 13