Nguồn từ trường Ba loại nguồn từ trường được sử dụng để thực hiện các chuyển động do tác dụng của từ trường tới các đối tượng micro và nano là: nam châm vĩnh cửu, nam châm điện và na
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Việt Cường
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MICRO-NANO VẬT LIỆU TỪ CỨNG THEO HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONGY SINH
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội – 2016
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Đức Thắng
Phản biện:
Phản biện:
Phản biện:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại vào hồi giờ ngày tháng năm 201…
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
Trang 3với µ0 = 4×10-7 N.A-2 là độ từ thẩm của chân không
Mỗi vật liệu từ có một từ trường nội tại khi được đặt trong từ
trường ngoài, từ trường nội tại này được gọi là từ độ M Do đó cảm ứng từ B sẽ bao gồm cả thành phần của từ trường ngoài H và từ độ M
bên trong vật liệu:
với µr là độ từ thẩm tương đối của vật liệu so với chân không
1.1.2 Phân loại vật liệu từ
Độ cảm từ là một thành phần quan trọng trong việc phân loại vật liệu từ Hệ số không có thứ nguyên này có thể dương, âm, tuyến tính hoặc phi tuyến Các vật liệu từ thường được phân loại thành ba nhóm chính: vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ và vật liệu sắt từ
1.1.3 Nam châm từ cứng và nam châm từ mềm
Các thuật ngữ “nam châm từ cứng” và “nam châm từ mềm” xuất phát từ việc phân tích các đường cong từ trễ của các vật liệu từ
Trang 41.1.4 Hạt từ kích thước micro và nano mét
Các hạt nano và micro đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ các ứng dụng công nghiệp tới các nghiên cứu khoa học Tỉ số diện tích/thể tích cao khiến cho các hạt nano và micro được đặc biệt chú ý trong lĩnh vực y sinh học
Các hạt từ thường được coi là các đối tượng hình cầu với kích thước từ một vài nano-mét tới một vài micro-mét và sự phân bố kích thước của chúng có thể rất hẹp tùy thuộc vào công nghệ chế tạo Thông thường các hạt từ trong nền polymer (polystyrene (PS) hoặc cao su), hoặc nền Si, hoặc nền SiO2 Tùy theo sự phân bố của các hạt từ trong lớp nền mà chúng ta có các kiểu cấu trúc hạt từ khác nhau
Các hạt siêu thuận từ được ưu tiên sử dụng trong rất nhiều ứng dụng bởi các tính chất thú vị của chúng, như độ cảm từ cao, không có độ từ dư nhưng lại có thể có một mô-men từ lớn trong những điều kiện nhất định Tính siêu thuận từ xuất hiện trong các vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm xuống còn một vài nano-mét (1 ÷ 50nm, tùy thuộc vào từng vật liệu cụ thể)
Tác động của từ trường lên các hệ thống sinh học cũng đã được
dự báo rộng rãi từ hơn 1500 năm trước và rất nhiều kết quả thực nghiệm đã được báo cáo cho tới ngày này ở các lĩnh vực như vật lý, sinh lý học, hóa học… Các tài liệu nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng hầu hết các phần tử sinh học đều có tính nghịch từ
1.2 Kỹ thuật điều khiển các đối tượng micro và nano
Có nhiều kỹ thuật dựa trên các nguồn lực khác nhau như lực cơ học, lực quang, lực điện để điều khiển các đối tượng mục tiêu tới các
vị trí mong muốn Tuy nhiên các nguồn lực này đều tạo nhiệt hoặc những rung động trong quá trình phân tách hay làm lệch hướng chuyển
Trang 5động của đối tượng Vì vậy một kỹ thuật điều khiển khác đã và đang được nghiên cứu sử dụng trong những năm gần đây là kỹ thuật điều khiển sử dụng lực từ
1.2.1 Nguồn từ trường
Ba loại nguồn từ trường được sử dụng để thực hiện các chuyển động do tác dụng của từ trường tới các đối tượng micro và nano là: nam châm vĩnh cửu, nam châm điện và nam châm từ mềm
a) Nam châm điện
Các nam châm điện được sử dụng rộng rãi như một nguồn từ trường để tác động từ xa lên các đối tượng từ tính Kích thước của các nam châm điện là rất đa dạng từ các cuộn Helmholtz lớn được sử dụng
để tác động lên các vi khuẩn kích thước micro-mét tới các cuộn kích
thước micro-mét để đặt dưới các vi kênh
b) Nam châm từ mềm
Các nam châm từ mềm là một trong những nam châm được phát triển nhiều nhất cho việc phân tách sử dụng từ trường biến thiên lớn
Về cơ bản, các nam châm từ mềm được sử dụng trong lĩnh vực MEMS
là các vật liệu có từ độ lớn khi được phân cực trong từ trường ngoài Khi không có từ trường ngoài đặt vào, mô-men từ tổng cộng của nam châm từ mềm bằng không Khả năng chuyển trạng thái “tắt/bật” là một trong những mặt đáng lưu ý của nguồn từ trường loại này Một yếu tố quan trọng khác cho sự phổ biến của các nam châm từ mềm là khả năng tương thích của chúng với các kỹ thuật chế tạo silic
c) Nam châm vĩnh cửu
Các nam châm vĩnh cửu khối là các nguồn từ trường đầu tiên được kết hợp với các vi kênh để hút các hạt từ Việc dễ dàng tạo ra các nguồn từ trường khác nhau chỉ bằng cách thay đổi hình dạng, kích
Trang 6thước và tích hợp với các thiết bị khác đã quyết định sự thành công
của các nam châm vĩnh cửu trong lĩnh vực phân tách dungf từ trường
d) Vi nam châm vĩnh cửu
Với sự phát triển của công nghệ vi chế tạo các nguồn từ trường loại này đã và đang phù hợp cho các vi hệ thống Việc không đòi hỏi nguồn điện ngoài và nguồn từ trường ngoài là đặc biệt hữu ích cho các thiết bị tích hợp lab-on-chip và các thiết bị kiểm tra, xét nghiệm tại ngay giường bệnh Ngoài ra, từ trường được tạo ra bởi các vi nam châm bị giới hạn trong những vùng nhất định, do đó có khả năng tích hợp với các vi thiết bị hoặc sử dụng với các thiết bị khác, chẳng hạn như kính hiển vi
1.2.2 Điều khiển hạt từ: bắt giữ và giải phóng
Ứng dụng rõ ràng nhất của các nguồn từ trường trong việc điều khiển các vi đối tượng là bắt giữ các đối tượng này một cách chính xác Việc tác dụng lực đẩy hoặc hút lên các vi đối tượng có thể dễ dàng thực hiện với các nam châm điện và nam châm từ mềm, nhưng việc bảo vệ bề mặt nam châm cũng như có cơ chế tẩy rửa các đối tượng sau khi bắt giữ là cần thiết Rất nhiều báo cáo của các nhóm nghiên cứu
đã được công bố liên quan tới việc chế tạo các cấu hình nam châm khác nhau để bắt giữ thành công các đối tượng từ tính và sinh học
1.2.3 Điều khiển hạt từ: dẫn đường
Việc bắt giữ và giải phóng các hạt, đối tượng có thể được thực hiện tương đối dễ dàng Nhưng việc dẫn đường, cụ thể là việc sắp xếp các đối tượng trong vi kênh dọc theo một đường nhất định lại là một nhiệm vụ khó khăn hơn nhiều Việc kiểm soát tốt lực hút, cũng như sự cân bằng tốt giữa các lực từ và lực kéo được yêu cầu Nhiều nỗ lực đã thành công trong việc sắp xếp các tế bào từ chạy theo một đường liên
Trang 7tục bằng cách sử dụng các nam châm vĩnh cửu khối, nam châm từ mềm và nam châm điện đã được báo cáo
1.3 Mục tiêu và tính cấp thiết của luận án
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo các nguồn từ trường kích thước micro có từ trường lớn và sự biến thiên từ trường mạnh để
có thể tác động lực lớn lên các đối tượng micro – nano ngay cả khi ở khoảng cách xa qua đó có thể điều khiển các đối tượng mục tiêu phục
vụ cho mục đích nghiên cứu Trong luận án này chúng tôi sẽ nghiên cứu, chế tạo và khảo sát một số tính chất từ đặc trưng của các vật liệu
từ micro-nano trên cơ sở các hợp kim 3d Kết hợp với một số công nghệ vi hình, các vi cấu trúc từ kích thước micro sẽ được nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm bắt giữ các hạt từ và một số phần tử sinh học kích thước micro, định hướng ứng dụng trong y sinh
Trang 8CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1 Phương pháp phún xạ
Phún xạ là một phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD),
kỹ thuật này cho phép lắng đọng nhanh chóng các màng dày, phù hợp với tốc độ lắng đọng cao của nó (có thể lên đến 20µm/h)
2.2 Các phương pháp chế tạo cấu trúc từ
+ Phương pháp hình thái học: lắng đọng trực tiếp màng từ có dị hướng từ vuông góc lên đế Si đã được tạo hình sẵn thành các vi cấu trúc gồm các cột có hình dạng, kích thước và trật tự nhất định Hoặc
sử dụng công nghệ quang khắc kết hợp với công nghệ tạo màng mỏng
để chế tạo được các lớp màng từ có hình dạng, cấu trúc mong muốn + Phương pháp in từ: các hạt từ được cố định và sắp xếp chặt chẽ với nhau theo những trật tự nhất định dưới tác dụng của gradient
từ trường để tạo thành vi cấu trúc từ trong nền polyme
+ Phương pháp in phun: dung dịch từ với các thông số kỹ thuật phù hợp với thiết bị in được sử dụng làm mực in để in trực tiếp các vi nam châm, vi cấu trúc với hình dạng, kích thước phong phú và dễ kiểm soát lên bề mặt các đế mong muốn
2.3 Các kỹ thuật khảo sát các tính chất đặc trưng
Để nghiên cứu, đánh giá các thuộc tính từ, cấu trúc tinh thể… của các màng từ cứng và các loại cấu trúc từ chế tạo được trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu đã sử dụng nhiều công cụ và trang thiết bị hiện đại như: đầu dò Hall, từ kế mẫu rung, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi lực nguyên tử, nhiễu xạ tia X…
Trang 9CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ
3.3 Từ trường bề mặt của các cấu trúc từ
Để các tương tác từ có cường độ lớn hơn, thông thường người
ta phải tìm cách tăng cường độ từ trường và sự biến thiên từ trường Việc tăng cường độ từ trường thường phụ thuộc vào bản chất vật liệu được sử dụng hoặc phụ thuộc dòng qua các cuộn dây trong trường hợp nam châm điện, trong khi việc tăng cường sự biến thiên từ trường lại dựa vào việc giảm kích thước thành phần từ
Trang 10Hai mô hình lý thuyết thường được sử dụng để tính toán từ trường do các nam châm sinh ra là mô hình dòng tương đương (hay còn gọi là mô hình dòng Amperian) và mô hình từ tích (hay còn gọi là
Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng các vi nam châm NdFeB có độ từ dư 1.4 T với chiều dày 5 µm với hình dạng và kích thước phù hợp khi được sắp xếp có trật tự với nhau tạo ra được không gian từ trường biến thiên lên tới 104 – 105 T/m
Trang 11~ 90 mT và độ biến thiên từ trường ~ 3104 T/m tại ví trí cách bề mặt cấu trúc từ 10 µm
b) FePt trên đế Si
Công nghệ quang khắc được kết hợp với kỹ thuật phún xạ để chế tạo cấu trúc từ bao gồm các vi nam châm vuông FePt Cấu trúc từ chế tạo được gồm các vi nam châm vuông FePt có kích thước bề mặt trung bình 6060 µm2, chiều dày trung bình 500 nm và độ từ dư 0.25
T theo phương vuông góc với mặt phẳng màng Các vi nam châm có lực kháng từ theo phương vuông góc là 0.4 T và cách nhau liên tiếp
40 µm Cấu trúc từ này cho từ trường ~ 1.8 mT và độ biến thiên từ trường ~ 125 T/m tại ví trí cách bề mặt cấu trúc từ 10 µm
3.5.2 Cấu trúc vi từ NdFeB trên nền PDMS
Sử dụng các hạt từ NdFeB (có hình dạng bất định, kích thước trung bình 7 µm, khối lượng riêng 7.5 g/cm3, độ từ dư 45 emu/g ~ 0.42
Cấu trúc từ thu được gồm các vi nam châm NdFeB hình vuông, kích thước bề mặt trung bình 5050 µm2, dầy trung bình 7.5 µm Cấu trúc từ này cho từ trường ~ 10 mT và độ biến thiên từ trường ~ 2104T/m tại ví trí cách bề mặt cấu trúc từ 10 µm
Trang 12CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ MÀNG TỪ TÍNH VÀ CẤU TRÚC TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN PHUN
4.1 Chế tạo dung dịch in có từ tính
Dung dịch nền được sử dụng để pha trộn hạt từ là dung dịch MFL – 003 DMP (Fujifilm) Đây là dung dịch không độc, màu đen chứa các hạt nano Cu có phân bố kích thước hạt trong khoảng 2.5 nm tới 10 nm, khối lượng riêng là 1.4 g/ml Độ nhớt và độ pH của dung dịch nền lần lượt đo được là 25.6 mPa.s và 9.2 Kết quả khảo sát tính chất từ cho thấy dung dịch có tính nghịch từ như tính chất từ của Cu, với độ cảm từ là -24.910-6
4.1.1 Dung dịch in chứa hạt từ NdFeB
Các hạt từ cứng NdFeB sau khi nghiền trong 4h có kích thước hạt trung bình 300 nm và tính chất từ cứng tốt phù hợp với mục tiêu của luận án được sử dụng để pha vào dung dịch nền bằng phương pháp rung siêu âm theo tỉ lệ khối lượng mNdFeB/mdd là 3/4 (N3) Dung dịch
in có độ nhớt 26.6 mPa.s, độ pH 9.8, phân bố kích thước hạt từ 100
nm tới 1000 nm và tính chất sắt từ tốt
4.1.2 Dung dịch in chứa hạt từ Fe 3 O 4
Vật liệu Fe3O4 được lựa chọn do có độ cảm từ cũng như từ độ bão hòa cao Mẫu bột Fe3O4 sử dụng, được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp thủy phân nhiệt, gồm các hạt nhỏ 10 nm đến 200 nm, với hình dạng và kích thước hạt đồng đều Ngoài ra, nhờ có khối lượng riêng nhỏ nên hạt khó bị kết đám, là một thuận lợi cho việc chế tạo dung dịch in
Hạt từ Fe3O4 được pha vào dung dịch nền bằng phương pháp rung siêu âm với tỷ lệ khối lượng mFe3O4/mdd là 1:500 (F3) Dung dịch
Trang 13thu được sau khi chế tạo có độ nhớt và độ pH thay đổi không đáng kể
so với dung dịch nền
4.2 Chế tạo màng từ và cấu trúc từ bằng dung dịch in chứa NdFeB
Dung dịch N3 được sử dụng để in cấu trúc từ là một ma trận
1010 vi nam châm vuông trên đế in có diện tích 1010 mm2, kích thước bề mặt mỗi vi nam châm là 500500 µm2, khoảng cách giữa các
vi nam châm là 500 µm Các khảo sát về tính chất của cấu trúc từ chế tạo được, cho thấy các vi nam châm trong cấu trúc từ có chiều dầy đồng đều cỡ 40 µm, hình dáng các vi nam châm sắc nét, kích thước vi nam châm thực tế phù hợp với thiết kế, bề mặt các vi nam châm có độ
gồ ghề bề mặt phù hợp với sự có mặt của các hạt NdFeB trong dung dịch in Đường cong từ hóa cho thấy cấu trúc từ không có định hướng
ưu tiên và có tính chất từ cứng theo cả phương song song và vuông góc với mặt phẳng vi nam châm, với lực kháng từ ~ 900 G
Từ độ bão hòa của các vi nam châm khá nhỏ, chỉ ~ 9.8 G nhưng
vì diện tích bề mặt mỗi vi nam châm trong cấu trúc từ khá lớn nên giá trị của từ trường do cấu trúc từ này sinh ra trên bề mặt cấu trúc từ là
ổn định và duy trì được ở khoảng cách xa so với bề mặt cấu trúc từ,
do đó sự biến thiên của từ trường trong không gian xung quanh cấu trúc từ là không đáng kể, chỉ cỡ 2.0 T/m
4.3 Chế tạo cấu trúc từ bằng dung dịch in chứa Fe 3 O 4
Dung dịch F3 được sử dụng để in ra các cấu trúc từ bao gồm 9
ô vuông (nam châm) kích thước 500×500 µm2, các ô vuông cách nhau
500 µm với số lớp in lần lượt là 1, 2 và 3 lớp Việc tăng số lớp in nhằm mục đích tăng số lượng hạt từ Fe3O4 trong cấu trúc in được qua đó tăng cường tín hiệu từ cho cấu trúc từ
Trang 14Các kết quả khảo sát cho thấy cấu trúc in 1 lớp bằng dung dịch F3 có tính nghịch từ nhưng tính nghịch từ của cấu trúc in bằng dung dịch F3 giảm đi nhiều so với cấu trúc in bằng dung dịch MFL - 003 DMP Điều này là do sự có mặt của một lượng hạt Fe3O4 nhất định đã làm giảm tính nghịch từ của cấu trúc được in ra Với cấu trúc in 2 lớp
và 3 lớp bằng dung dịch F3, lượng hạt Fe3O4 có mặt trong cấu trúc từ tăng lên đã bù trừ được tính nghịch từ của dung dịch nền và dần thể hiện tính chất thuận từ với từ độ bão hòa tăng dần Như vậy, nếu in càng nhiều lớp chồng lên nhau sẽ cho cấu trúc có từ độ bão hòa càng cao Tuy nhiên vấn đề cần giải quyết đó là khi in nhiều lớp chồng lên nhau sẽ dẫn đến cấu trúc in ra không sắc nét
Trang 15(c)
Hình 5 1 Phân bố của các hạt từ NdFeB trên cấu trúc từ gồm các
vi nam châm vuông NdFeB 5050 µm 2 (a), trên cấu trúc từ gồm các
vi nam châm vuông FePt 6060 µm 2 (b) và phân bố của các hạt
Trang 16Fe 3 O 4 trên cấu trúc từ gồm các vi nam châm NdFeB trong nền
Hình 5 2 Phân bố của các tế bào hồng cầu trên cấu trúc từ hình
thái học bao gồm các vi nam châm vuông NdFeB 5050 µm 2 (a, b, c) và đồ thị biểu diễn tổng lực tác dụng theo phương z lên tế bào hồng cầu theo khoảng cách (d)
Các tế bào hồng cầu chỉ di chuyển theo các rãnh (khe hở) giữa các vi nam châm (hình 5.2a) Các tế bào có xu hướng chuyển động vào khe hở được tạo ra giữa bốn vi nam châm Chuyển động này được gây ra bởi lực đẩy nghịch từ của cấu trúc từ, lực đẩy này tập trung các