Nghiên cứu từ trường bề mặt của vật liệu từ cứng cấu trúc micro nano

36 3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách giữa các nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt ..... Một trong các hiệu ứng được quan tâm nghiên cứu đó là khả năng giữ các phần tử kìch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU

TỪ CỨNG CẤU TRÚC MICRO - NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

Hà Nội – 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU

TỪ CỨNG CẤU TRÚC MICRO - NANO

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM ĐỨC THẮNG

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Từ trường và các đại lượng đặc trưng cho từ trường 2

1.1.1 Từ trường 2

1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường 2

1.2 Hiện tượng từ trễ 5

1.3 Dị hướng từ 6

1.3.1 Dị hướng từ tinh thể 7

1.3.2 Dị hướng ứng suất 8

1.3.3 Dị hướng hình dạng 9

1.4 Cấu trúc từ 10

1.5 Vật liệu từ cứng 13

1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng 14

1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng 15

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18

2.1 Chuẩn bị màng mỏng từ cứng cấu trúc micro 18

2.2 Mô phỏng từ trường bề mặt 18

2.2.1 Mô hình lý thuyết 18

2.2.2 Phương pháp mô phỏng 19

2.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu 21

2.3.1 Đặc điểm của tế bào hồng cầu 21

2.3.2 Mô hình lý thuyết 22

2.3.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Ảnh hưởng của số lượng nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt 25

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt 33

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày nam châm lên sự phân bố của từ trường

bề mặt 36

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách giữa các nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt 39

3.5 Quan sát hình ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ 43

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỞ ĐẦU

Từ tình là một thuộc tình của vật liệu Nhín chung các chất, ở mọi trạng thái,

dù ìt hay nhiều đều biểu hiện tình chất từ Vật liệu có thể có tình chất sắt từ mạnh như các nam châm từ cứng đất hiếm - kim loại chuyển tiếp, cũng có thể có tình nghịch từ yếu như các phân tử sinh học Việc nghiên cứu tình chất từ của vật liệu bằng phương pháp mô phỏng đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu ví phương pháp này rất đơn giản, cho kết quả nhanh và chình xác, qua đó có thể cho phép tiết kiệm về mặt thời gian thao tác cũng như chi phì thực hiện quá trính nghiên cứu

Các vật liệu từ có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học kỹ thuật và cuộc sống Một trong các hiệu ứng được quan tâm nghiên cứu đó là khả năng giữ các phần

tử kìch thước nhỏ và có tình nghịch từ nhờ sự phân bố của từ trường không đồng nhất trên bề mặt của các cấu trúc sắt từ Bằng việc sử dụng các cấu trúc từ có kìch thước phù hợp, chúng ta có thể lưu giữ được các phần tử sinh học mà không cần sử dụng đến quá trính chức năng hóa bề mặt vật liệu dùng để bắt giữ các phần tử sinh học

Luận văn này được thực hiện với mục đìch khảo sát sự phân bố của từ trường trên bề mặt của các nam châm từ cứng NdFeB có cấu trúc micro-nano sử dụng phần mềm mô phỏng Ảnh hưởng của các thông số như số lượng nam châm, kìch thước nam châm, chiều dày nam châm và khoảng cách giữa các nam châm sẽ được nghiên cứu một cách hệ thống Bên cạnh đó luận văn cũng đã thử nghiệm việc bắt giữ phần

tử sinh học bằng cách sử dụng các vi nam châm NdFeB Trong luận văn này phần tử sinh học bị bắt giữ là tế bào hồng cầu

1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường

 Cường độ từ trường H

 Cảm ứng từ B

 Từ độ M

 Trường khử từ H d

1.2 Hiện tượng từ trễ

Từ trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trính từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tình của các vật liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ [8]

1.3 Dị hướng từ

Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của tinh thể, tạo nên khả năng từ hóa khác nhau theo các phương khác nhau của tinh thể, đó là tình dị hướng từ [3]

Dị hướng từ phụ thuộc vào năng lượng nội tại của hệ tại một hướng nhất định nào đó của từ độ tự phát Năng lượng đó được gọi là năng lượng dị hướng từ Nếu dị hướng từ gây ra bởi tình đối xứng trong cấu trúc tinh thể của vật liệu thí được gọi là

dị hướng từ tinh thể Bên cạnh nguồn gốc do tình đối xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất hay do hính dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau [4]

1.3.1 Dị hướng từ tinh thể

Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tình có nguồn gốc liên quan đến tình đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ Dị hướng từ tinh thể là một đặc điểm nội tại của vật liệu sắt từ, nó phụ thuộc nhiều vào kìch thước

và hính dạng của vật liệu

1.3.2 Dị hướng ứng suất

Ngoài sự đóng góp của dị hướng từ tinh thể, còn có sự đóng góp đáng kể khác của dị hướng từ ứng suất Dị hướng ứng suất thường được thấy trong các vật liệu từ giảo Hiện tượng từ giảo là hiện tượng hính dạng, kìch thước của vật liệu từ (thường

là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng cả từ trường ngoài Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vật liệu sắt từ

1.3.3 Dị hướng hình dạng

Dị hướng hính dạng phụ thuộc vào kìch thước và hính dạng của mẫu Dị hướng hính dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau về mặt năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt từ Hính dạng mẫu sẽ quyết định các cực từ tự do Do tương tác giữa các cực từ, sẽ xuất hiện một trường khử từ ngược với chiều từ hóa, chống lại sự từ hóa Do đó, mômen từ sẽ có xu hướng định hướng theo trục có năng lượng từ hóa nhỏ nhất của vật liệu [4]

 Cấu trúc GMR (Giant magnetoresistance)

 Cấu trúc TMR (Tunneling magnetoresistance)

 Cấu trúc Spin-van

 Cấu trúc từ dạng dãy chuỗi: Cấu trúc từ dạng chuỗi là sự tổ hợp có hệ thống của rất nhiều các cấu trúc từ, các sensor, để tạo thành một sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thực tế Sự ra đời của các cấu trúc dạng chuỗi cho phép các phép đo, các thì nghiệm được tiến hành với tốc độ nhanh hơn và độ chình xác cao hơn [2]

Trong luận văn này chúng tôi nghiên cứu một cấu trúc từ dạng chuỗi đơn giản chỉ là tổ hợp của các nam châm từ kìch thước micro (hính 1.18) Các nam châm được sắp xếp theo một trật tự nhất định và công việc của chúng tôi là khảo sát từ trường trên bề mặt của nam châm

1.5 Vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa Ý nghĩa của tình

từ “cứng” ở đây chình là thuộc tình khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát

từ tình chất cơ học của vật liệu từ [9]

1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, tình chất từ của vật liệu từ cứng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn Dưới đây liệt kê một số đặc trưng quan trọng

 Lực kháng từ

 Cảm ứng từ dư

 Tích năng lượng từ cực đại

1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng được ứng dụng rất rộng rãi trong các đồ chơi, máy làm lạnh

từ, các thiết bị kỹ thuật điện thông dụng như các mô tơ điện, loa điện động, micro phôn, khóa từ và các thiết bị cao cấp như các ổ đĩa cứng,…[3] Hiện nay, các vật liệu

từ cứng liên kim loại đất hiếm – kim loại chuyển tiếp, điển hính là hợp chất NdFeB là vật liệu từ cứng tốt nhất

Cùng với những ứng dụng tuyệt vời trong các lĩnh vực đò chơi, thiết bị, đồ điện tử…thí hiện nay vật liệu từ cứng cũng đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học Sự phát triển của các phương pháp mới dùng để điều chỉnh vị trì tế bào trên bề mặt là một thách thức quan trọng trong sinh học tế bào Thật vậy, cải thiện công nghệ cho chuỗi tế bào làm cho nó có thể trao đổi với con người để giúp con người theo dõi sự tiến hóa của cá nhân [21] Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng đối tượng nghịch từ vi mô, chẳng hạn như những giọt kìch thước micro hoặc các

vi hạt có thể được nâng lên hoặc bị mắc kẹt bằng cách sử dụng từ trường biến thiên cao Trong luận văn này, chúng tôi sẽ khảo sát khả năng bắt giữ phần tử sinh học bằng việc sử dụng các vi nam châm NdFeB Hiện nay trong phòng thì nghiệm Công nghệ micro và nano có sẵn tế bào hồng cầu do viện 103 cung cấp, tế bào này không

gây hại gí cho người thì nghiệm nên trong luận văn này chúng tôi đã khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu của các vi nam châm NdFeB

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chuẩn bị màng mỏng từ cứng cấu trúc micro

Lớp NdFeB được lắng đọng trên đế Si bằng phương pháp phún xạ triode Nhiệt

độ của đế khi màng mỏng phún xạ là 450oC, và sau đó được ủ ở 750oC trong 10 phút

Để ngăn chặn sự khuếch tán và sự ôxi hóa của lớp từ cứng ta phủ một lớp Ta dày 100

nm lên mặt lớp từ cứng Màng mỏng có cấu trúc micro được tạo ra bằng 2 phương pháp hính thái học và từ nhiệt (hính 2.1)

Hình 2.1 Hình ảnh màng mỏng sử dụng (a) phương pháp hình thái học, (b) phương

Áp dụng định luật Biot – Savart

3 0

R dl I

dB  





(2.1)

Với R là bán kình véc tơ từ điểm quan sát tới phần tử dòng điện Id l

Đối với trường hợp của cuộn solenoid giống như một lăng trụ chữ nhật kìch thước 2a × 2b × 2h, miêu tả một nam châm hính lăng trụ từ hóa dọc theo trục z Biểu thức dBx, dBy, và dBz lấy tìch phân từ -a đến a, -b đến b và –h đến h Giá trị cảm ứng

từ tại điểm quan sát bất kỳ P(x0, y0, z0) có thể được thể hiện bởi các công thức sau đây [23]:

) ln(

2 4

2 2 2

) ln(

2 4

2 2 2

2

2 4

Để khảo sát từ trường bề mặt của vật liệu NdFeB, chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng MacMMems Trước tiên chúng tôi sử dụng chương trính MacMmems để thiết kế mô hính gồm nhiều nam châm NdFeB kìch thước micro sắp xếp theo một trật tự nhất định trong không gian ba chiều Sau đó nhập các giá trị biến cần thiết và viết phương trính để mô phỏng từ trường bề mặt Cuối cùng chúng tôi sử dụng chương trính Calculator để xuất ra giá trị từ trường và hính ảnh từ trường của vật liệu

2.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu

Nghiên cứu ban đầu về cấu trúc và tình chất của các phân tử cho thấy các phần

tử sinh học đều có thành phần nghịch từ Nghiên cứu sinh học cũng cho thấy tình chất

từ của các tế bào liên quan đến hemoglobine Hemoglobine là nghịch từ khi ở trạng thái oxy hóa, và thuận từ trong trạng thái khử oxy Hồng cầu, hay hồng huyết cầu (có nghĩa là tế bào máu đỏ), là loại tế bào máu có chức năng chình là hô hấp, chuyên chở hemoglobin, qua đó đưa O2 từ phổi đến các mô Trong luận văn này chúng tôi sẽ mô

tả việc sử dụng các vi nam châm từ cứng NdFeB để bẫy các tế bào hồng cầu

2.3.1 Đặc điểm của tế bào hồng cầu

Dưới kình hiển vi quang học, hồng cầu được thấy có hính tròn; nên thời trước người ta cho rằng các tế bào đó hính cầu (hính cầu nhín dưới mọi góc độ đều thấy tròn) - đây là nguồn gốc tên gọi "hồng cầu" Dưới kình hiển vi điện tử, tế bào hồng cầu có hính đĩa lõm hai mặt với đường kình khoảng 7.8 µm (1000.000µm = 1m), độ

dày 2.5 µm ở chỗ dày nhất và không quá 1µm ở trung tâm

2.3.2 Mô hình lý thuyết

Các lực tác dụng lên một hạt tiếp xúc với từ trường được cho bởi biểu thức:

đó, bẫy từ đạt kết quả tốt khi các tế bào không ghi nhãn được ngâm trong một môi trường thuận từ [21]

2.3.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu

Tế bào hồng cầu mà chúng tôi sử dụng trong thì nghiệm này được viện 103 cung cấp Lúc đầu tế bào hồng cầu được để trong 1 ống nghiệm chứa dung dịch NaCl 0.9 % Tỉ lệ được sử dụng để thì nghiệm là: 1:50 (20 µl tế bào hồng cầu cộng với 980

µl NaCl)

Để khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu của vi nam châm NdFeB, Chúng

ta sẽ nhỏ 10 µl tế bào hồng cầu lên trên bề mặt các vi nam châm và sử dụng kình hiển

vi quang học để quan sát sự phân bố của tế bào hồng cầu trên các vi nam châm NdFeB Các vi nam châm NdFeB sử dụng trong thì nghiệm này có kìch thước 50×50

µm2, chiều dày h = 30 µm Để bảo vệ bề mặt nam châm không bị ăn mòn, tình chất từ của các vi nam châm không bị thay đổi trong quá trính thì nghiệm, chúng tôi đã phủ một lớp PDMS dày 10 µm lên trên bề mặt vi nam châm NdFeB

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của số lượng nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt

Mô hình 1 nam châm

Mô hính một nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2

, dày 4 µm được miêu tả trong hính 3.1a Với mô hính này từ trường được khảo sát theo hai đường trên bề mặt của nam châm là đường màu đen (ở trung tâm của nam châm) và đường màu đỏ (ở mép của nam châm), với cảm ứng từ dư Br = 1 T

Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen (hính 3.1b) cho thấy từ trường giảm dần khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ (hính 3.1c) cũng cho thấy từ trường giảm dần khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm Chúng ta có thể thấy khi khảo sát theo đường màu đen và đường màu đỏ thí từ trường đạt cực đại tại vị trì

y = 0 khi khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm tăng từ 2 µm đến 10 µm Tại

vị trì d =1 µm đỉnh cực đại gần như phẳng do các đường sức từ ở sát bề mặt nam

châm đều có hướng đi lên, lúc này chúng chưa có hướng đi ra hai bên Khi khoảng cách d > 15 µm thí từ trường giảm dần về 0 ví khoảng cách này rất xa bề mặt nam châm, khoảng cách này lớn hơn 3.75 lần chiều dày của nam châm nên có thể các đường sức từ không vượt qua được giới hạn này

(a)

(b)

(c)

Hình 3.1 a) Mô hình 1 nam châm, b) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam châm

khảo sát dọc theo đường màu đen, c)) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam châm khảo sát dọc theo đường màu đỏ

Từ kết quả đo trên hính 3.1b và hính 3.1c, các giá trị từ trường cực đại Bzmaxđược liệt kê trong bảng 3.1 Ta thấy ở cùng một khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm (cùng khoảng cách d) thí giá trị Bzmax khảo sát theo đường màu đen lớn hơn đường màu đỏ, có nghĩa là từ trường ở trung tâm của nam châm lớn hơn từ trường ở mép của nam châm Điều này là phù hợp với sự phân bố của đường sức từ

do nam châm tạo ra, các đường sức từ tập trung nhiều ở trung tâm của nam châm nên

từ trường ở trung tâm của nam châm lớn hơn ở mép của nam châm

Mô hình 2 nam châm

(a)

(b)

Hình 3.2 a) Mô hình 2 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 2 nam châm

được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau

Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ được thể hiện trên hính 3.2b, ta thấy giá trị Bzmax giảm, giá trị Bzmin tăng, khoảng cách từ đỉnh cực đại tới đỉnh cực tiểu giảm khi tăng khoảng cách từ đầu đo tới bề mặt nam châm

Mô hình 3 nam châm

(a)

(b)

Hình 3.3 a) Mô hình 3 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 3 nam châm

được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau

Mô hính 3 nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng cách giữa 2 nam châm là 10 µm được miêu tả trên hính 3.3a và kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính với cảm ứng từ dư Br = 1 T được thể hiện trên hính 3.3b Với mô hính 3 nam châm ta thấy cũng giống như mô hính 2 nam

châm là từ trường đều giảm khi tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm Nhưng khác với mô hính 2 nam châm là sự xuất hiện thêm của các đỉnh cực đại và đỉnh cực tiểu, tức là xuất hiện thêm các vùng từ trường biến thiên

Bảng 3.1 Giá trị B zmax , B zmin khảo sát dọc theo đường màu đỏ của mô hình 2 nam châm và 3 nam châm

Chiều dày h (µm)

Mô hình 4 nam châm

Mô hính 4 nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng cách giữa 2 nam châm là 10 µm được thể hiện trên hính 3.4a, kết quả khảo sát từ trường trên bề mặt nam châm, với cảm ứng từ dư Br = 1 T được thể hiện trong hính 3.4b Cũng giống như các mô hính 2 nam châm, 3 nam châm, từ trường khảo sát theo đường màu đen (từ trường trên bề mặt nam châm) giảm khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm và đến khoảng cách d > 15 µm không còn xuất hiện các vùng từ trường biến thiên trên bề mặt nam châm, lúc này từ trường sẽ giảm dần về 0