Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của luận văn "Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP" này được trình bày như sau: Chương 1 - Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoPtP, 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: Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thị Thanh Huyền NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO CoPtP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thị Thanh Huyền NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO CoPtP 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 Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn của em là TS. Lê Tuấn Tú, Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên -Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, cũng như các thầy cô trong khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học QGHN đã giảng dạy, cho em những kiến thức cơ bản và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn tới anh Lưu 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 NAFOSTED 103.02-2010.01 và VNU QG.14.14. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn bên em, cổ vũ và động viên em trong quá trình nghiên cứu, học tập và hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 21 tháng 08 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Thanh Huyền
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoPtP 4 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính 4 1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán 6 1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp 7 1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính 8 1.2.1 Dị hướng hình dạng 8 1.2.2 Chu trình từ trễ 8 1.2.3 Ảnh hưởng của đường kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên lực kháng từ Hc của dây nano thông qua mô hình tính toán 9 1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính 11 1.3.1 Ghi từ vuông góc 11 1.3.2 Động cơ điện từ cỡ nhỏ 13 1.3.3 Chức năng hóa các phân tử sinh học 15 1.4 Giới thiệu về vật liệu CoPtP 17 1.4.1 Giới thiệu về vật liệu CoNiP 17 1.4.2 Giới thiệu về màng mỏng CoPtP 19 1.4.3 Giới thiệu về dây nano CoPtP 20 CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22 2.1 Phương pháp Vol-Ampe vòng (CV) 23 2.2 Các phương pháp chế tạo mẫu 25 2.2.1 Phương pháp cơ học 26 2.2.2 Phương pháp hóa ướt 26 2.2.3 Phương pháp bốc bay 27 2.2.4 Phương pháp hình thành từ pha khí 27 2.2.5 Phương pháp phún xạ 28 2.2.6 Phương pháp lắng đọng điện hóa 28
2.3 Một số phương pháp phân tích mẫu 32 2.3.1 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRAY) 35 2.3.3 Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) 37 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ 39 3.1 Ảnh hưởng của độ pH lên tính chất của dây nano CoPtP 39 3.1.1 Ảnh hưởng của độ pH lên thế lắng đọng điện hóa 39 3.1.2 Kết quả đo hình thái học 40 3.1.3 Ảnh hưởng của độ pH lên thành phần của mẫu (EDS) 42 3.1.4 Kết quả phân tích cấu trúc 43 3.1.5 Kết quả đo từ kế mẫu rung 44 3.1.6. Ảnh hưởng của độ pH lên lực kháng từ Hc 47 3.2 Ảnh hưởng của một số tham số lên tinh chất từ của dây nano CoPtP 48 3.2.1 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano từ tính 48 3.2.2 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính 53 3.2.3 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào khoảng cách giữa các dây 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Hình 1.1. (a) Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70 nm; (b) Dây nano CuS được tạo mảng có đường kính 50 nm. .................................................................7 Hình 1.2. (a) Dây nano CoPtP một đoạn; (b) Dây nano CoPtP sáu đoạn; (c) Dây nano nhiều lớp Fe-Au ..................................................................................................7 Hình 1.3. Chu trình từ trễ của một dây nano. (a) Từ trường H đặt vào song song với trục của dây nano; (b) trường hợp H đặt vào vuông góc với trục của các dây nano. .9 Hình 1.4. (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc. .............................................12 Hình 1.5. Cấu tạo thiết bị ghi từ vuông góc ..............................................................13 Hình 1.6. Động cơ điện từ cỡ nhỏ .............................................................................14 Hình 1.7. (a) Bơm cỡ micro, (b) Van cỡ micro.........................................................14 Hình 1.8. Chức năng hóa các protein có chọn lọc của các dây nano đa đoạn. .........16 Hình 1.9. (a) Hình ảnh kính hiển vi quang học, (b) Ảnh huỳnh quang của dây nano đa đạn Au/Ni/Au với một kháng thể KE2 được liên kết với đoạn Au cuối cùng. ....16 Hình 1.10. Sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày của màng CoNiP: vuông góc (đường hình tròn) và song song (đường hình vuông). .......................................18 Hình 1.11. Đường cong từ trễ của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa trên đế Si/Ti/Ni ở nhiệt độ phòng và từ trường đặt vào song song với màng. (a) mẫu không được ủ nhiệt; (b)mẫu được ủ nhiệt ở 400oC trong suốt 90 phút ...............................19 Hình 1.12. Lực kháng từ của vật liệu CoPtP với các giá trị khác nhau của từ trường ngoài ..........................................................................................................................20 Hình 1.13. Hình ảnh AFM (kính kiển vi lực nguyên tử) của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa: (a) không có từ trường ngoài; (b) có từ trường ngoài (1 Tesla) ...........20 Hình 1.14. (a) Hình ảnh FE-SEM của dây nano CoPtP sau khi đã loại bỏ đế. (b) Đường cong từ trễ của dây nano CoPtP với từ trường đặt vào song song với trục của dây được tại ở nhiệt độ phòng ...................................................................................21 Hình 1.15. Đường cong từ trễ của dây nano CoPtP với từ trường đặt vào song song và vuông góc với trục của dây. .................................................................................22
Hình 2.1. Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV. ....................................................23 Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quá trình khử. .........................24 Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quét thế vòng. ........................25 Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp dây nano bằng phương pháp lắng đọng điện hóa ............30 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa chế tạo dây nano. .................31 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hoá chế tạo dây nano. .................31 Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét. ..........................................................................32 Hình 2.8. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét .........................................................33 Hình 2.9. Tương tác chùm điện tử với chất rắn .......................................................34 Hình 2.10. Hiện tượng nhiễu xạ lên tinh thể. ............................................................35 Hình 2.11. Nhiễu xạ tia X góc nhỏ............................................................................36 Hình 2.12. (a) Thiết bị VSM DMS Model 880 (b) Mô hình từ kế mẫu rung. ..........37 Hình 3.1. Kết quả đo CV của dung dịch CoPtP với các giá trị khác nhau. ..............40 Hình 3.2. Ảnh SEM của khuôn PC với kích thước lỗ 100 nm..................................41 Hình 3.3. Ảnh SEM của dây nano CoPtP được lắng đọng trên đế vàng trong thời gian 20 phút. ..............................................................................................................41 Hình 3.4. Hình ảnh EDS của đế thuỷ tinh. ................................................................42 Hình 3.5. Hình ảnh EDS của dây nano CoPtP. .........................................................42 Hình 3.6. Phổ nhiễu xạ tia X của dây nano CoPtP....................................................44 Hình 3.7. Chu trình từ trễ của dây nano CoPtP đo ở nhiệt độ phòng với các giá trị pH khác nhau (a) pH =4, (b) pH=6, (c) pH=8. .........................................................46 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của Hc vào độ pH. ...............................................................47 Hình 3.9. Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano. ............49 Hình 3.10. Đường cong từ trễ của dây nano CoPtP tại pH=6, với đường kính dây (a) 100 nm, (b) 600 nm ...................................................................................................50 Hình 3.11. Hình ảnh SEM của dây nano CoPtP với đường kính (a) 100 nm, (b) 600 nm tại pH =6..............................................................................................................52 Hình 3.12. Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính. ...53 Hình 3.13. Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính. ...54
Bảng 1: Thành phần nguyên tử của mẫu phụ thuộc vào giá trị pH...........................43 Bảng 2. Giá trị lực kháng từ Hc của dây nano CoPtP phụ thuộc vào pH với từ trường đặt song song và vuông góc với trục của dây. ..........................................................47 Bảng 3. Giá trị lực kháng từ H c của dây nano CoPtP có đường kính 100 nm và 400 nm khi từ trường đặt vào song song và vuông góc với trục của dây. .....................51
MỞ ĐẦU Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm nào đó có liên quan đến hai chữ “nano”. Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự là một vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính ứng dụng, nhưng hiện nay, ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và có được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Trong tiếng Hy Lạp, “nano” nghĩa là “nhỏ xíu” và đường kính một sợi tóc người cũng lớn hơn 80 000 lần so với một nano. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1954, nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 bởi nhà vật lý Nhật Bản Norio Taniguchi, ông dùng thuật ngữ này để mô tả sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [13]. Tổ chức National Nanotechnological Initiactive (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ đã định nghĩa công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100 nm” [9]. Những tính chất của vật chất trong lĩnh vực này còn có thể được quan sát và khảo sát ở quy mô vĩ mô hoặc vi mô và được ứng dụng để phát triển các nguyên liệu, dụng cụ với những chức năng và tính năng mới. Vào nửa cuối của thập niên 1980 và những năm đầu của thập niên 1990 đã có rất nhiều các phát minh và sáng chế được tạo ra, có ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển sau này của công nghệ nano. Sau đó, các nghiên cứu, các bài báo được công bố và phát minh về công nghệ nano gia tăng nhanh chóng, các ứng dụng của nó cũng được mở rộng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp hóa học, nông nghiệp, điện tử và môi trường... Đó cũng là lí do mà công nghệ nano trở thành mối quan tâm và đối tượng đầu tư của nhiều tổ chức và các quốc gia trên thế giới. Cho đến nay, nhiều ứng dụng của công nghệ nano đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ, những ý tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp các công ty lớn, các viện nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, vật liệu nano đóng vai trò quan trọng bởi sự gia tăng không ngừng của các ứng dụng trong khoa học và công nghệ như: ghi từ vuông góc, cảm biến, MRAM, chip máy tính ... Trong các loại vật liệu nano thì vật liệu nano từ tính đang thu hút được rất nhiều chú ý của các nhà 1
khoa học trên thế giới cũng như tại Việt nam. Các loại vật liệu nano từ có thể kể đến như: hạt nano, dây nano, màng nano... Đặc biệt, hạt nano và dây nano có nhiều ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học như: cảm biến sinh học, phân tách tế bào, nghiên cứu chức năng tế bào... [25]. Các nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, 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, hạt hình phỏng cầu và 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 điện hóa trên các tấm xốp có các lỗ kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5-500 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, định hướng trục dễ từ hóa … phụ thuộc rất mạnh vào các tham số công nghệ như đường kính, chiều dài và thành phần hóa học của dây [1]. Hiện nay, công nghệ nano là một trong những mối quan tâm hàng đầu của chính phủ các nước. Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu và chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano nhằm hướng tới các ứng dụng của nó. Một số trung tâm mạnh trong nước đang triển khai nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc nano như Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, Viện Khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội… Tại bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGHN, nhóm nghiên cứu chế tạo dây có kích thước nano cũng đã được hình thành và đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, trong đó nội dung chủ yếu là chế tạo các dây nano từ tính bằng phương pháp lắng đọng điện hoá. Phương pháp lắng đọng điện hoá có những ưu việt hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, nhiệt độ cao, hoặc chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ phát triển nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Để tìm hiểu về phương pháp lắng đọng điện hóa và một số tính chất của dây nano từ tính, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH và một số tham số hình dạng lên tính chất từ của dây, nhóm nghiên cứu đã tiến hành những thí nghiệm ban đầu về việc chế tạo dây CoPtP có kích thứớc nano và sự thay đổi tính chất của dây nano CoPtP khi thay đổi 2
các tham số độ pH và đường kính của dây. Chính vì vậy nhiệm vụ của luận văn này là: “Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP”. Nội dung của luận văn này được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoPtP. 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 CoPtP 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính Dây nano là một vật liệu đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng không chỉ vì cấu trúc hình học đặc biệt của nó mà còn vì chúng sở hữu những tính chất vật lý quan trọng bao gồm: tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và tính chất cơ. Khoảng một thập kỉ trước, các nghiên cứu cho thấy dây nano sở hữu nhiều tính chất từ đặc biệt. Thậm chí, tính chất từ của dây nano còn phụ thuộc nhiều vào đường kính và tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây nano (tỷ số hình dạng), điều đó cho thấy tính chất từ của dây nano có thể được kiểm soát thông qua việc kiểm soát các tham số hình dạng. Điển hình đó là đối với dây nano từ tính (Fe, Co, và Ni), với tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây tương đối lớn và cân xứng (ví dụ: lớn hơn 5 lần) thì chúng cho thấy trục dễ khi đó là dọc theo chiều dài của dây. Dây nano từ tính hay còn được gọi là thanh nano từ tính có cấu trúc dị hướng gần như một chiều với tỷ số giữa đường kính và chiều dài rất cao [1]. 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 (Nmặt ngoài) và số nguyên tử tổng cộng (N) của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vâ ̣t liê ̣u khố i. Thí dụ, đối với một hạt nano hình cầu bán kính R cấu tạo từ các nguyên tử có kích thước trung bình a, tỷ số này bằng [1]: Nmặtngoài 3a ≈ N R Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều nằm trên bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ…. Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên 4
nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước [1]. Không giống như các ống nano cacbon, các điện tử có thể di chuyển tự do trong ống, độ dẫn của dây nano bị ảnh hưởng lớn của hiệu ứng biên. Trong đó, nguyên nhân của hiệu ứng biên là khi các nguyên tử nằm trên bề mặt dây nano không được hoàn toàn gắn liền với các nguyên tử bên cạnh như trường hợp của các nguyên tử nằm bên trong dây nano. Các nguyên tử không liên kết với nhau thường là nguồn gốc của các khuyết tật trong dây nano, và đó cũng có thể là nguyên nhân của việc các dây nano dẫn điện kém hơn so với vật liệu khác. Khi kích thước của dây nano giảm, các nguyên tử trên bề mặt sẽ nhiều hơn so với các nguyên tử bên trong dây nano, khi đó, hiệu ứng biên trở thành một tính chất quan trọng của dây nano [7]. Tính chất từ của dây nano được mô tả thông qua một số các tham số như từ dư, lực kháng từ... Trong đó, từ dư là tham số cho biết từ độ còn lại sau khi ngừng tác dụng từ trường ngoài vào dây nano. Tỷ số từ dư của dây nano Fe, Co và Ni có thể lớn hơn 0.9 theo chiều dọc của dây. Lực kháng từ là một tham số quan trọng của vật liệu từ tính. Các nghiên cứu cho thấy dây nano từ tính có lực kháng từ rất lớn. Ngoài ra, một đặc điểm khác của dây nano từ có thể được ứng dụng vào một số kỹ thuật và công nghệ là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR – Giant magnatoresistance) [6]. Tóm lại, chúng ta có thể thay đổi các tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư, định hướng trục dễ từ hoá bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần của các đoạn từ tính/không từ tính của dây nano [18]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp tổng hợp, chế tạo và điều khiển các dây nano từ để có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực. 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 số những lĩnh vực đó thì từ y sinh là một lĩnh vực cực kì thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã 5
được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống 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 [19]. 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 điện hoá trên các tấm xốp có các lỗ kích thước 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. Ngoài ra, chúng hầu hết có dạng hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hoá 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. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và các linh kiện, chúng ta cần phải tuân thủ một số điều kiện như: phải điều khiển môi trường hoá học hoặc giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến [1, 4]. 1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều được sử dụng ở dạng cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc. Hình 1.1(a) chỉ ra một ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70 nm. Trên hình 1.1(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm. Cần lưu ý rằng dây nano CuS được tạo thành mảng một cách ngẫu nhiên. Trong các ứng dụng y sinh, các dây nano thường bị treo lơ lửng trong các dung dịch [16]. 6
(a) (b) Hình 1.1. (a) Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70 nm [13]; (b) Dây nano CuS được tạo mảng có đường kính 50 nm [8]. 1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp Hình 1.2. (a) Dây nano CoPtP một đoạn [25]; (b) Dây nano CoPtP sáu đoạn [25]; (c) Dây nano nhiều lớp Fe-Au [15]. Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã được nghiên cứu chuyên sâu, cũng do đó mà các nhà nghiên cứu đã khám phá được nhiều chức năng vốn có của chúng [12]. Hình 1.2(a) biểu diễn dây nano CoPtP một đoạn. Cần lưu ý rằng, dây nano một đoạn có thể được làm từ nguyên tố đơn lẻ như kim loại, hợp kim hoặc oxit. Hình 1.2(b) biểu diễn dây nano CoPtP sáu đoạn. Hình 1.2(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều lớp Fe - Au [15, 23]. Đối với dây nano đa đoạn, các đoạn có thể được tổng hợp từ các nguyên tố từ - phi từ, điển hình đó là dây nano: Ni-Cu, Fe- 7
Cu... Hầu hết các dây đa đoạn này thể hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) rõ nét và có nhiều ứng dụng trong ngành y sinh [12]. 1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính 1.2.1 Dị hƣớng hình dạng Đối với vật liệu có dạng hình cầu, hướng của từ trường không ảnh hưởng đến kết quả đo tính chất từ của mẫu. Tuy nhiên, đối với vật liệu có hình dạng khác như màng mỏng, dây thì hướng của từ trường đo cho ta các kết quả khác nhau người ta gọi là dị hướng hình dạng. Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì từ trường bên trong vật sinh ra có một từ trường chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ. Trường khử từ Hd tỉ lệ với từ độ M tạo ra nó, nhưng có hướng ngược lại, được cho bởi : 𝐻 d = -Nd𝑀 (1) Trong đó hằng số trường khử từ Nd 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 mômen từ đồng đều trên toàn bộ vật. Một vật hình 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 4π. Na + Nb + Nc = 4π (2) Cho trước hướng từ hóa thì năng lượng từ tĩnh ED (erg/cm3) được cho bởi: 1 ED = NdMs2 (3) 2 Trong đó: Ms là từ độ bão hòa của vật, Nd là hằng số trường khử từ. 1.2.2 Chu trình từ trễ Chu trình từ trễ của một mẫu bất kỳ có mối quan hệ mật thiết với từ trường ngoài đặt vào. Bằng tính toán lý thuyết, người ta có thể thu được chu trình từ trễ của mẫu bằng cách cực tiểu hóa năng lượng tự do khi có từ trường ngoài. Chu trình từ trễ của một vật bị ảnh hưởng bởi các thông số như vật liệu, cấu trúc vĩ mô và hình dạng của vật, hướng của từ trường và quá trình từ hóa của mẫu. Đối với mảng các dây nano, tương tác giữa các dây nano đơn lẻ có thể ảnh hưởng tới quá trình từ trễ. 8
Hình 1.3. Chu trình từ trễ của một dây nano. (a) Từ trường H đặt vào song song với trục của dây nano; (b) trường hợp H đặt vào vuông góc với trục của các dây nano[19]. Các thông số thường 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 1.3, trường bão hòa Hsat là từ trường 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 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 dáng và kích thước của mẫu. Tính chất từ của một mảng các dây nano chủ yếu được xác định bằng hai thông số. Thứ nhất là tính chất từ của các dây nano đơn. Thứ hai là tương tác giữa các dây nano đơn có từ tính, liên quan tới các thông số hình học của mảng dây nano. 1.2.3 Ảnh hƣởng của đƣờng kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên lực kháng từ Hc của dây nano thông qua mô hình tính toán Trường khử từ của một dây cô lập có thể được tính toán thông qua việc sử dụng mô hình Stonner – Wohlfarth hiệu chỉnh, trong đó chiều dài của khoảng quay đômen (coherent rotation) của một dây được thay thế bằng chiều rộng của vách đômen (𝑤) [3]. 𝐻0 2𝐾(𝑤 ) = (4) 𝑀0 𝜇 0 𝑀0 2 9
Lưu ý rằng, chiều rộng của vách đômen được tính toán nhờ sử dụng phương trình của Landerous và các cộng sự [3] và K(l) = 14µ0M02 (1 – 3 Nz(l) ) với Nz(l) là hệ 4𝑅 2 số khử từ theo trục z, được tính bởi công thức Nz(l) = 1 – F21[ 8𝑅 ] + 3𝜋𝑙 và F21[x] = 𝑙2 F21[-1/2, 1/2, 2, -x] là một hàm siêu bội [3]. Từ phương trình của Landeros và các cộng sự cho thấy trường khử từ của dây là độc lập với chiều dài dây khi chiều dài dây đủ lớn. Tuy nhiên, trong các kết quả thực nghiệm cho thấy trường khử từ phụ thuộc vào chiều dài của dây và kết quả tính toán từ phương trình có kết quả lớn hơn so với kết quả thực nghiệm đo được. Có thể thấy rằng phải tính đến cả sự tương tác giữa các dây trong một mảng dây để có thể đạt được sự chính xác hơn so với thực nghiệm. Nếu xét mỗi dây nano đơn lẻ là một lưỡng cực từ không tương tác thì nó sẽ đóng góp vào đường cong từ trễ của cả mảng dây với một đường cong nhỏ hình vuông. Kết quả là trong trường hợp một mảng các dây không tương tác đồng nhất, có thể quan sát thấy một đường cong từ trễ vuông góc với bước nhảy Barkhausen. Trong đó, bước nhảy Barkhausen xuất hiện do sự thay đổi rất nhanh của các vách đômen và các spin trong quá trình từ hóa các vật liệu sắt từ [10]. Tuy nhiên, trong các mảng dây nano thì khoảng cách giữa các dây lại nhỏ hơn hoặc tương đương đường kính của dây. Vì vậy, tính chất từ của các dây trong mảng phụ thuộc mạnh vào tương tác từ tĩnh giữa chúng. Sự tương tác của mỗi dây với trường khử từ của mảng dây – một cặp phản sắt từ giữa các dây gần nhau - ảnh hưởng mạnh đến trường khử từ. Trường khử từ này phụ thuộc vào chiều dài của dây [3]. Trong các hệ tương tác, quá trình đảo từ có thể xem như việc vượt qua một rào chắn năng lượng, ΔE [3]. Trong một mảng có tất cả các dây được từ hóa theo một hướng, tương tác tĩnh từ ưu tiên sự đảo từ ở một số dây. Một trường đảo từ có chiều ngược với hướng từ hóa của các mức năng lượng thấp hơn, sự phụ thuộc vào từ trường ngoài của rào cản năng lượng được biểu diễn bằng công thức: 𝐻 2 ∆𝐸 = 𝑈 1 − (5) 𝐻0 Trong đó: 10
 H là từ trường ngoài.  H0 là kí hiệu cho từ trường bên trong một dây cô lập. Với các hạt đơn đômen có dị hướng hình dạng theo một trục, rào cản năng lượng khi từ trường ngoài bằng không.  U là năng lượng cần để chuyển trạng thái trong một khoảng quay đômen K(L). Nếu thừa nhận từ trường chuyển trạng thái Hs bằng Hc, ta có: Hc = H0 - Hint (6) Hint tương ứng với trường khử từ của cả mảng dây, được tính bằng công thức: 1 2K(L) Ẽint (D) 2 Hint = ε (7) μ0 M 0 2 K(L) Ở phương trình trên, ta thừa nhận rằng trường đảo từ của một dây nano làm giảm năng lượng tĩnh từ Eint mà có độ lớn bằng rào cản năng lượng dị hướng ΔE. Bên cạnh đó, ε là một tham số có thể thay đổi được phụ thuộc vào sự phân bố các dây từ tính trong không gian và sự liên hệ theo trục dài giữa các dây và Eint(D) là mật độ năng lượng tương tác tĩnh từ giữa hai dây có khoảng cách D, được tính bởi công thức sau [3] : 𝐸𝑖𝑛𝑡 𝜇 0 𝑀0 2 𝑅 2 1 Ẽ𝑖𝑛𝑡 𝐷 = = 1− (8) 𝑉 2𝐿𝐷 𝐿2 1+ 2 𝐷 1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính Cho đến nay, các ứng dụng của công nghệ nano đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ, những ý tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp các công ty lớn, các viện nghiên cứu trên thế giới. Đối với dây nano từ tính, do có các tính chất đặc biệt nên thu hút được nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh, cảm biến, ghi từ... 1.3.1 Ghi từ vuông góc Trong những năm gần đây, để tăng mật độ lưu trữ thông tin, giảm kích thước của thiết bị lưu trữ người ta sử dụng phương pháp ghi từ vuông góc, điều này có thể làm tăng mật độ tích luỹ từ 1 Tbit/in2 trên mỗi mức [14, 20]. Để thực hiện ghi 11
từ vuông góc, chúng ta cần thiết phải có các màng mỏng chứa các hạt từ cứng đơn đômen, hoặc các hạt nano có tính dị hướng ở mật độ cao. Nói cách khác là mômen từ của các phần tử ghi riêng lẻ phải được sắp xếp thẳng hàng theo hướng vuông góc với mặt phẳng, sự dị hướng này có thể có được từ dị hướng từ tinh thể và dị hướng từ hình dạng. Như mô tả ở hình 1.4(a), đối với cách ghi từ song song và 1.4(b) là ghi từ vuông góc. Hình 1.4. (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc. Về cơ bản, nguyên lý của ghi từ song song và ghi từ vuông góc là giống nhau. Khi đầu ghi đi qua bề mặt vật liệu ghi từ thì các hạt từ tính trên bề mặt vật liệu sẽ bị từ hóa. Đối với ghi từ vuông góc, mômen của các hạt từ tính này được xếp theo chiều lên, xuống (sắp xếp theo chiều dọc) thay vì sắp xếp theo chiều ngang đối với ghi từ song song. Vì vậy, mật độ lưu trữ thông tin trong ghi từ song song bị hạn chế đáng kể, khoảng 300 GB/in2 [20]. Trong khi, nhờ sự định hướng theo chiều dọc của các mômen mà các thiết bị ghi từ vuông góc có xu hướng mỏng hơn so với các thiết bị ghi từ song song [20]. Ngoài ra, để tăng hiệu quả của việc ghi từ trong các thiết bị ghi từ vuông góc, người ta làm tăng lực kháng từ và kiểm soát tín hiệu nhiễu của thiết bị nhờ một lớp 12