Ảnh Hưởng Của Đường Kính Và Tỷ Số Hình Dạng Lên Tính Chất Từ Của Dây Nano Từ

Luận văn thạc sĩ phân tích hus ảnh hưởng của đường kính và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của dây nano từ, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Nguyễn Thị Thái
• Người hướng dẫn: TS. Lê Tuấn Tú
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lí Nhiệt
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Đường Kính Và Tỷ Số Hình Dạng Lên Tính Chất Từ Của Dây Nano Từ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH
• 1.1. Giới thiệu về dây nano từ tính
• 1.2. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp
• 1.3. Tính chất từ của dây nano từ tính
• 1.3.1. Dị hướng hình dạng
• 1.3.2. Hình phỏng cầu thon dài (c > a = b)
• 1.3.3. Hình phỏng cầu dẹt (c = b > a)
• 1.4. Ảnh hưởng của đường kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của dây nano
• 1.5. Chu trình từ trễ
• 1.6. Một số ứng dụng của dây nano từ tính
• 1.6.1. Phân phối gen
• 1.6.2. Phân tách các phân tử sinh học
• 1.6.3. Ghi từ vuông góc
• 1.6.4. Tăng mật độ bộ nhớ bằng các dây nano
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mô hình tính toán
• 2.2. Dây nano từ tính cô lập
• 2.3. Mảng dây nano từ tính
• 2.4. Chế tạo dây nano bằng phương pháp điện hóa
• 2.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.6. Hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.7. Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.8. Phổ năng lượng tia X (EDS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tính toán từ mô hình lý thuyết
• 3.1.1. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano từ tính
• 3.1.2. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính
• 3.2. Các kết quả thực nghiệm
• 3.2.1. Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào thời gian
• 3.2.2. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.3. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.4. Kết quả đo năng lượng quang phổ phân tán (EDS)
• 3.2.5. Tính chất từ của mẫu
• 3.2.5.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung
• 3.2.5.2. Ảnh hưởng của tỷ số hình dạng lên trường kháng từ của dây nano
• 3.2.5.3. Kết quả tính toán năng lượng dị hướng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ảnh Hưởng Đường Kính Dây Nano Từ

Dây nano từ tính là một trong những vật liệu nano có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y sinh đến công nghệ thông tin. Đường kính và tỷ số hình dạng của dây nano ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ của chúng. Việc hiểu rõ những ảnh hưởng này là rất quan trọng để tối ưu hóa các ứng dụng thực tiễn của dây nano từ.

1.1. Giới Thiệu Về Dây Nano Từ Tính

Dây nano từ tính có cấu trúc dị hướng một chiều, với đường kính thường từ 5 nm đến 500 nm. Chúng có khả năng điều chỉnh tính chất từ thông qua việc thay đổi đường kính và tỷ số hình dạng. Các dây nano này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như cảm biến sinh học và phân tách tế bào.

1.2. Tính Chất Từ Của Dây Nano Từ

Tính chất từ của dây nano từ tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hình dạng, đường kính và tỷ số hình dạng. Các yếu tố này ảnh hưởng đến nhiệt độ Curie, trường khử từ và độ từ dư của dây nano, từ đó quyết định khả năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

II. Vấn Đề Thách Thức Trong Nghiên Cứu Dây Nano Từ

Mặc dù dây nano từ tính có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và phát triển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như sự đồng nhất trong chế tạo, kiểm soát kích thước và hình dạng, cũng như tính ổn định của các tính chất từ là những vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Chế Tạo Dây Nano

Chế tạo dây nano từ tính đồng nhất là một thách thức lớn. Các phương pháp hiện tại như lắng đọng điện hóa cần được tối ưu hóa để đảm bảo kích thước và hình dạng của dây nano đạt yêu cầu.

2.2. Ảnh Hưởng Của Tỷ Số Hình Dạng Đến Tính Chất Từ

Tỷ số hình dạng của dây nano ảnh hưởng đến tính chất từ của chúng. Các nghiên cứu cho thấy rằng dây nano có tỷ số hình dạng cao thường có tính chất từ tốt hơn, nhưng việc kiểm soát tỷ số này trong quá trình chế tạo là một thách thức.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Đường Kính Dây Nano Từ

Để nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính và tỷ số hình dạng đến tính chất từ của dây nano, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm mô hình tính toán, thí nghiệm thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

3.1. Mô Hình Tính Toán Tính Chất Từ

Mô hình tính toán giúp dự đoán các tính chất từ của dây nano dựa trên các thông số như đường kính và tỷ số hình dạng. Các mô hình này thường sử dụng các phương trình vật lý để tính toán các hằng số khử từ và năng lượng dị hướng.

3.2. Phương Pháp Thí Nghiệm Đo Lường

Các phương pháp thí nghiệm như hiển vi điện tử quét (SEM) và từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng để đo lường các tính chất từ của dây nano. Những kết quả thu được từ thí nghiệm giúp xác nhận các dự đoán từ mô hình tính toán.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Dây Nano Từ Tính

Dây nano từ tính có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y sinh, công nghệ thông tin và năng lượng. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của đường kính và tỷ số hình dạng đến tính chất từ sẽ giúp tối ưu hóa các ứng dụng này.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Sinh

Dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh để phát hiện và điều trị bệnh. Chúng có khả năng vận chuyển thuốc đến đúng vị trí trong cơ thể, giảm thiểu tác dụng phụ cho các tế bào lành.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghệ Thông Tin

Trong công nghệ thông tin, dây nano từ tính có thể được sử dụng để phát triển các thiết bị lưu trữ dữ liệu với mật độ cao hơn. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và khả năng lưu trữ của các thiết bị điện tử.

V. Kết Luận Về Ảnh Hưởng Đường Kính Và Tỷ Số Hình Dạng

Nghiên cứu về ảnh hưởng của đường kính và tỷ số hình dạng đến tính chất từ của dây nano từ là một lĩnh vực quan trọng và đầy tiềm năng. Những hiểu biết từ nghiên cứu này không chỉ giúp tối ưu hóa các ứng dụng hiện tại mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu trong tương lai.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Dây Nano Từ

Nghiên cứu về dây nano từ tính sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong y sinh và công nghệ. Việc cải tiến các phương pháp chế tạo và nghiên cứu sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của dây nano.

5.2. Khuyến Nghị Cho Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ và môi trường đến tính chất từ của dây nano. Điều này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của công nghệ vi điện tử và y sinh học hiện đại đang đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc thu nhỏ kích thước linh kiện cùng khả năng nâng cao mật độ lưu trữ thông tin vượt mức 1 Tbit/in2. Trong bối cảnh đó, vật liệu một chiều kích thước dưới 100 nm sở hữu các đặc tính lượng tử và từ tính vượt trội đang trở thành tâm điểm nghiên cứu của khoa học vật liệu. Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để kiểm soát chính xác cấu trúc hình học, nhằm làm chủ các tham số từ tính quan trọng phục vụ chế tạo linh kiện thế hệ mới.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán khảo sát định lượng ảnh hưởng của đường kính từ 100 nm đến 600 nm và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của mảng dây nano hợp kim CoNiP. Mục tiêu cụ thể là làm sáng tỏ cơ chế đảo từ, đánh giá sự tương quan giữa dị hướng hình dạng và tương tác tĩnh từ lưỡng cực, đồng thời xác lập quy trình tổng hợp vật liệu tối ưu.

Đề tài được triển khai thực nghiệm toàn diện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp và Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2014. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và ứng dụng to lớn khi mở ra giải pháp kiểm soát lực kháng từ linh hoạt, tạo tiền đề giảm hơn 5 lần mật độ dòng phân cực spin trong các bộ nhớ từ thế hệ mới so với công nghệ truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết dị hướng hình dạng cho các vật thể dạng elipxoit thon dài và mô hình đảo từ vi từ học Stoner-Wohlfarth hiệu chỉnh theo Landeros. Hệ thống khái niệm trọng tâm bao gồm lực kháng từ, từ độ bão hòa, từ dư, năng lượng từ tĩnh và cấu trúc vách đômen từ.

Mô hình lý thuyết xem xét dây nano như một hình phỏng cầu thon dài có các bán trục xác định. Khi tỷ số hình dạng m = c/a lớn hơn 10, trục dễ từ hóa sẽ định hướng dọc theo trục dài của dây với các hằng số trường khử từ chuẩn hóa thỏa mãn Na = Nb = 2π và Nc = 0. Năng lượng dị hướng hình dạng cực đại đạt giá trị Ku = πMs^2. Khi xét trong một mảng dây nano dày đặc, mô hình tích hợp thêm trường khử từ tương tác Hint xuất phát từ tương tác tĩnh từ lưỡng cực giữa các dây lân cận, làm suy giảm rào cản năng lượng đảo từ tổng thể của toàn hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua quy trình chế tạo mảng dây nano CoNiP bằng phương pháp lắng đọng điện hóa 3 điện cực gồm điện cực làm việc, điện cực đếm và điện cực so sánh Ag/AgCl. Quá trình mạ điện sử dụng màng khuôn Polycarbonate có phủ lớp tiếp xúc đồng dày 100 nm bằng kỹ thuật phún xạ catot. Dung dịch điện phân chuẩn độ gồm 0.2M CoCl2.6H2O, 0.25M NaH2PO2, 0.7M H3BO3 và 0.001M Saccharin với độ pH duy trì ở 5.1 dưới điện thế lắng đọng -0.9 V tại nhiệt độ phòng.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4 nhóm mẫu đường kính điển hình là 100 nm, 200 nm, 400 nm và 600 nm với chiều dài dây vượt trên 3 µm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm bao phủ dải kích thước từ đơn đômen đến đa đômen từ.

Hệ phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhờ các ưu điểm vượt trội:

• Kính hiển vi điện tử quét SEM JEOL JSM-5410LV với độ phân giải 3.6 nm và độ phóng đại 200000 lần giúp quan sát trực tiếp hình thái vi cấu trúc mà không làm biến dạng mẫu.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X góc quay Bragg phân tích thành phần pha tinh thể không phá hủy mẫu.
• Kỹ thuật phổ tán sắc năng lượng tia X Oxford ISIS 300 định lượng tỷ lệ nguyên tố với độ chính xác cao.
• Hệ từ kế mẫu rung VSM DMS 880 có độ nhạy 10^-6 emu cùng từ trường quét tối đa 10000 Oe cho phép đo chính xác chu trình từ trễ theo cả hai phương song song và vuông góc.
• Phần mềm Matlab hỗ trợ mô phỏng số hóa dữ liệu lý thuyết xuyên suốt timeline nghiên cứu giai đoạn 2013-2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích phổ tán sắc năng lượng EDS xác nhận dây nano sau chế tạo có độ tinh khiết cao với thành phần nguyên tố gồm Coban chiếm 81.07%, Niken chiếm 12.68% và Photpho chiếm 6.25%. Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy hai đỉnh đặc trưng tại vị trí góc 2θ là 42.07° và 44.93° tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (100) và (002) của cấu trúc lục giác xếp chặt hcp, đi kèm đỉnh pha phụ NiP ở góc 39°.

Thứ hai, đường đặc trưng mật độ dòng theo thời gian ghi nhận sự ổn định ở mức 8 mA/cm2 sau khoảng 200 giây đầu thăng giáng, tạo ra mảng dây nano CoNiP đồng đều, thẳng tắp với chiều dài đồng nhất trên 3 µm.

Thứ ba, lực kháng từ thể hiện sự phụ thuộc phi tuyến tính mạnh mẽ vào đường kính hình học. Khi đường kính tăng từ 100 nm lên 600 nm, lực kháng từ suy giảm rõ rệt.

Thứ tư, lực kháng từ tăng gần như tuyến tính khi chiều dài dây tăng từ 1 µm đến 4 µm và đạt trạng thái bão hòa ổn định khi chiều dài đạt ngưỡng xấp xỉ 16 µm.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm lực kháng từ khi tăng đường kính dây được lý giải bởi sự chuyển đổi trạng thái từ đơn đômen sang đa đômen từ. Khi kích thước dây vượt quá bề rộng vách đômen cơ bản khoảng 28 nm, sự hình thành các vách đômen tự do làm giảm năng lượng cần thiết cho quá trình đảo từ. Đồng thời, đường kính tăng làm thu hẹp khoảng cách giữa các dây lân cận trong màng mẫu, dẫn đến gia tăng tương tác tĩnh từ lưỡng cực đối kháng.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố khoa học quốc tế của các nhóm tác giả hàng đầu khi nghiên cứu mảng dây nano Niken với mật độ từ 1x10^7 cm^-2 đến 1x10^11 cm^-2. Khi tỷ số hình dạng lớn hơn 10, dị hướng hình dạng chiếm ưu thế tuyệt đối giúp duy trì trục dễ từ hóa song song trục dây.

Trên biểu đồ chu trình từ trễ thu được từ thiết bị VSM, đường cong từ hóa theo phương song song có dạng hình chữ nhật vuông vắn với tỷ số từ dư trên từ độ bão hòa Mr/Ms đạt giá trị cao cùng bước nhảy Barkhausen sắc nét. Ngược lại, đường cong đo theo phương vuông góc có độ mở hẹp và nghiêng rõ rệt. Đồ thị tính toán năng lượng dị hướng Ku và trường dị hướng trên Matlab đã lượng hóa chính xác sự đối kháng giữa dị hướng hình dạng và trường tương tác mảng, khẳng định tính đúng đắn của mô hình lý thuyết.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thúc đẩy khả năng ứng dụng thực tiễn của mảng dây nano từ tính CoNiP, các khuyến nghị cụ thể được đề xuất như sau:

• Chuẩn hóa thông số công nghệ lắng đọng điện hóa: Kiểm soát điện thế mạ chính xác ở mức -0.9 V và nồng độ phụ gia Saccharin 0.001M nhằm duy trì độ nhám bề mặt dưới 2%, do các kỹ sư phòng thí nghiệm vật liệu nano thực hiện trong vòng 3 tháng tới.
• Tối ưu hóa kích thước dây nano phục vụ ghi từ vuông góc: Chế tạo mảng dây có đường kính dưới 100 nm và tỷ số hình dạng trên 30 trên nền đế oxit nhôm Al2O3 để nâng lực kháng từ đạt trên 1500 Oe, hướng tới mục tiêu mật độ lưu trữ 1 Tbit/in2 do nhóm nghiên cứu vi điện tử triển khai trong thời gian 6 tháng.
• Mở rộng chức năng hóa dây nano đa đoạn trong y sinh: Tổng hợp hệ dây nano lai hai đoạn Au-Ni kết hợp hoạt hóa bề mặt bằng AEDP và chuỗi PEGSH nhằm đạt hiệu suất bắt giữ và chuyển nạp plasmid DNA trên 85% vào tế bào nuôi cấy HEK293, do các chuyên gia công nghệ sinh học phụ trách trong lộ trình 12 tháng.
• Thiết kế tích hợp dây nano CoNiP vào cấu trúc bộ nhớ racetrack: Ứng dụng xung dòng phân cực spin mật độ thấp dưới 1x10^6 A/cm2 để dịch chuyển chính xác vách đômen từ với tốc độ cao, do các kỹ sư thiết kế phần cứng bán dẫn phối hợp thực hiện trong thời hạn 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị chuyên môn sâu sắc cho nhiều nhóm độc giả:

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn, Vật lý nhiệt độ thấp: Nắm vững phương pháp mô hình hóa vi từ học Stoner-Wohlfarth và kỹ thuật tính toán trường khử từ bằng phần mềm chuyên dụng.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các tập đoàn vi điện tử: Khai thác quy luật biến thiên của lực kháng từ và tỷ số hình dạng để thiết kế đầu đọc, đầu ghi và chip nhớ từ mật độ cao.
• Nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và y học nano: Ứng dụng cấu trúc dị hướng của dây nano từ tính trong phân tách protein gắn thẻ poly-His và dẫn truyền thuốc trúng đích.
• Chuyên viên phân tích cấu trúc vật liệu tại các phòng thí nghiệm kiểm định: Tham khảo quy trình phân tích liên hoàn từ ảnh SEM độ phóng đại cao, phổ tán sắc EDS định lượng đến phép đo từ tính VSM.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp lắng đọng điện hóa mang lại những ưu thế kỹ thuật nào vượt trội trong chế tạo dây nano CoNiP? Phương pháp lắng đọng điện hóa không đòi hỏi môi trường chân không cao hay nền nhiệt độ phức tạp, giúp cắt giảm hơn 60% chi phí chế tạo so với kỹ thuật phún xạ chùm tia. Thực nghiệm tại điện thế -0.9 V và pH 5.1 chứng minh phương pháp này tạo ra các mảng dây CoNiP có chiều dài đồng nhất trên 3 µm và bám chắc hoàn hảo vào khuôn mẫu.

Tỷ số hình dạng chi phối như thế nào đến sự định hướng trục dễ từ hóa của mảng dây nano? Khi tỷ số hình dạng của dây nano vượt ngưỡng giá trị bằng 10, dị hướng hình dạng sẽ vượt trội hoàn toàn so với dị hướng tinh thể. Hệ số khử từ dọc trục Nc tiến sát về 0, buộc trục dễ từ hóa phải sắp xếp song song với trục dài của dây, giúp vật liệu duy trì từ tính ổn định theo phương định trước.

Vì sao lực kháng từ lại suy giảm khi đường kính dây nano CoNiP tăng từ 100 nm lên 600 nm? Khi đường kính dây gia tăng vượt quá bề rộng vách đômen khoảng 28 nm, cấu trúc từ chuyển từ trạng thái đơn đômen sang đa đômen từ. Sự xuất hiện của các vách đômen tự do cùng khoảng cách giữa các dây bị thu hẹp làm tăng tương tác tĩnh từ khử từ, khiến lực kháng từ suy giảm đáng kể.

Thành phần tỷ lệ nguyên tố Coban, Niken và Photpho có vai trò gì đối với đặc tính của vật liệu? Kết quả phân tích EDS xác định tỷ lệ Coban 81.07%, Niken 12.68% và Photpho 6.25%. Hàm lượng Coban cao quyết định cấu trúc lục giác hcp mang từ độ bão hòa lớn, trong khi Niken và Photpho giúp biến tính cấu trúc mạng vi mô, gia tăng độ bền cơ học và hỗ trợ kiểm soát lực kháng từ hiệu quả.

Dây nano CoNiP có tiềm năng ứng dụng thực tế đột phá nào trong công nghệ thông tin và y tế? Trong công nghệ thông tin, vật liệu hỗ trợ chế tạo bộ nhớ racetrack mật độ siêu cao với mức tiêu thụ dòng điều khiển cực thấp. Trong y sinh, dây nano từ tính chức năng hóa giúp nâng cao hiệu suất phân tách tế bào ung thư và chuyển nạp gen điều trị vượt trội so với các hạt từ hình cầu truyền thống.

Kết luận

• Chế tạo thành công mảng dây nano hợp kim CoNiP chất lượng cao với dải đường kính từ 100 nm đến 600 nm và chiều dài trên 3 µm bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trên màng khuôn Polycarbonate.
• Xác định chính xác cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt hcp với thành phần định lượng gồm 81.07% Co, 12.68% Ni và 6.25% P.
• Khẳng định quy luật lực kháng từ giảm khi tăng đường kính dây do chuyển biến đa đômen và tăng tuyến tính theo chiều dài trước khi bão hòa ở mốc 16 µm.
• Chứng minh định lượng vai trò chủ đạo của dị hướng hình dạng khi tỷ số kích thước lớn hơn 10 và làm rõ tác động triệt tiêu của tương tác tĩnh từ mảng dây.
• Đặt nền móng vững chắc cho các ứng dụng công nghệ cao trong ghi từ mật độ 1 Tbit/in2 và kỹ thuật phân tách y sinh tiên tiến.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm màng khuôn biến tính Al2O3 và tối ưu hóa chức năng hóa bề mặt sinh học trong lộ trình 12 tháng tới. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác trực tiếp toàn văn tài liệu để ứng dụng vào quy trình sản xuất vật liệu từ tính chuyên dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - Tổng quan về dây nano từ tính. Chương 2 - Các phương pháp nghiên cứu. Chương 3 - Kết quả và thảo luận. Tài liệu tham khảo.

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính Công nghệ nano có ứng dụng rất lớn trong cuộc sống và là một công nghệ triển vọng ngay tại thời điểm hiện tại lẫn tương lai. Thử tưởng tượng có những thiết bị nhỏ cỡ nano có thể đi vào trong con người, tìm ra các bộ phận bị “ốm” và tuyệt hơn là góp phần làm bộ phận đó “khỏe” trở lại. Công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn các công nghệ khác.

Trong các lĩnh vực nghiên cứu về nano thì từ sinh học là lĩnh vực rất thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, chế tạo các hạt nano từ tính dùng để thăm dò có lựa chọn và điều khiển các hệ sinh học. Đây là lĩnh vực phát triển nhanh và có rất nhiều ứng dụng đã được phát triển như là phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu các chức năng của tế bào, cũng như rất nhiều ứng dụng tiềm năng về y học và trị liệu. Phần lớn các hạt từ được sử dụng có dạng hình cầu, thường bao gồm một lõi từ tính và lớp vỏ được chức năng hóa bởi một lớp hoạt chất sinh học để thỏa mãn mục đích y sinh.

Cũng giống như những ứng dụng của hạt từ tính đang trở nên ngày càng phổ biến trong các nghiên cứu về y học và công nghệ sinh học, sẽ rất thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện được nhiều chức năng khác nhau. Ngoài các hạt nano từ tính,các dây nano từ tính cũng có khả năng thỏa mãn các mục đích trên. Dây nano, cũng được gọi là thanh nano trong một vài ngữ cảnh, có cấu trúc dị hướng một chiều với những tỉ số hình dạng cao [2]. Để các hạt nano từ tính ứng dụng được trong y sinh, chúng ta cần phải kiểm soát chính xác về thành phần, hình dạng, kích thước, bề mặt và tính chất hóa học của hạt.

Ở góc độ này, dây nano có nhiều những ưu điểm và thuận lợi hơn. Đặc biệt, các dây nano từ tính sở hữu những tính chất rất độc đáo.1, cấu trúc và thành phần của dây nano dọc theo trục có thể điều chỉnh một các chính xác, và nó có thể dùng để kiểm soát chính xác tính chất từ của dây nano cho các ứng dụng y sinh cụ thể [30]. Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái Hình 1.

Hình ảnh về các loại dây nano. a) dây 1 đoạn, b) dây 2 đoạn, c) dây nhiều đoạn, d) dây đã được chức năng hóa để ứng dụng Phần lớn các dây nano từ sử dụng trong y sinh là các hình trụ kim loại lắng đọng vào các khuôn xốp có các lỗ kích thước nano. Bán kính của chúng có thể thay đổi từ 5 nm cho đến 500 nm, và chiều dài có thể đến 60 µm. Các cấu trúc nhiều đoạn, giống như trên hình 1.

Hơn nữa, như trên hình 1.1(d) cho thấy, dây đã được chức năng hóa , tính năng này có thể sử dụng để cải thiện khả năng hoạt động của dây nano từ tính trong các ứng dụng y sinh. Cả dây nano từ một đoạn và dây nano từ nhiều đoạn đều được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và các ứng dụng thực tế. Rất nhiều tính chất từ quan trọng, ví dụ như nhiệt độ Curie, trường khử từ, trường bão hòa, từ độ bão hòa, độ từ dư và sự Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái định hướng của trục dễ từ hóa, có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi đường kính, chiều dài và thành phần cấu tạo của các dây [30].1 Dây nano tạo mảng và phân tán Trong phần lớn các ứng dụng, dây nano ở hai dạng mảng hoặc phân tán.

2(a) là ví dụ cho hình ảnh mảng dây nano Ni với đường kính 200 nm.2(b) cho thấy hình ảnh của dây nano Co phân tán với đường kính khoảng 70nm. Trong các ứng dụng y sinh, dây nano phân tán thường nằm lơ lửng trong dung dịch [ 18, 19]. (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm. Ng-êi h-íng dÉn: TS.

Lª TuÊn Tó 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái 1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp. (a) Dây nano Ni một đoạn ; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn ;(c) Dây nano nhiều lớp Co-Cu. Để thỏa mãn yêu cầu thực hiện nhiều chức năng một lúc, dây nano cấu trúc nhiều đoạn đã được nghiên cứu và tính đa chức năng hóa của dây cũng được khảo sát.3(a) là ảnh một dây nano Ni một đoạn. Dây nano một đoạn có thể chế tạo từ nguyên tố kim loại, hợp kim hoặc oxit.3(b) trình bày hình ảnh một dây nano hai đoạn Ni-Au.

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái 1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính 1.1 Dị hƣớng hình dạng Đối với vật liệu từ, khi hình dạng của chúng là hình elipxoit hay hình trụ sẽ dễ bị từ hóa hơn so với hình dạng là hình cầu khi hướng từ trường ngoài dọc theo trục dài của vật. Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì từ trường bên trong vật sinh ra một từ trường có tác dụng chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ. Trường khử từ Hd có tỷ lệ với giá trị từ độ bão hòa của Ms, nhưng có hướng ngược lại, được cho bởi: Hd = -Nd Ms (1.1) 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 từ hóa đồng đều trên toàn bộ vật. Một vật có dạng elipxoit với các 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 (1.2) Với một hướng từ hóa cho trước, năng lượng từ tĩnhED (erg/m3) tính bởi công thức : (1.3) Ở đây Ms (emu/cm3) là từ độ bão hòa của vật còn hệ số khử từ Nd là hệ số khử từ theo hướng từ hóa Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái Hình phỏng cầu thon dài Hình elipxoit thon Hình phỏng cầu dẹt Hình 1. Ba hình elipxoit đặc trưng: Hình phỏng cầu thon dài (c > a =b), hình elipxoit thon (c » a > b), hình phỏng cầu dẹt (c = b > a).4 biểu diễn 3 hình elipxoit đặc trưng, thường sử dụng trong nghiên cứu các dây nano có từ tính: hình phỏng cầu thon, elipxoit thon và hình phỏng cầu dẹt.

Sau đây, chúng ta thảo luận về các hằng số trường khử từ của 3 dạng elipxoit [30]. Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái 1.1 Hình phỏng cầu thon dài (c > a = b) Dây nano một thành phần (được cấu tạo bởi một chất) với mặt cắt hình tròn có thể coi như một hình elipxoit thon dài [30]. Hằng số trường khử từ của vật elipxoit thon dài được cho bởi: m  1 m  (m2  1)1/2  N a  Nb  4  m  ln( 2(m2  1)  m  (m2  1)1/2  ) (1.

Mối quan hệ giữa các hằng số trường khử từ đã chuẩn hóa (Na/4π và Nc/4π) và tỷ số (m=c/a) của một vật phỏng cầu thon dài có thể được tìm thấy nếu tỷ số nhỏ hơn 10, Na/4π ≈ 0. Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái Trong một hình phỏng cầu thon dài, mối quan hệ giữa các hằng số trường khử từ đã chuẩn hóa (Na/4π và Nc/4π) và tỷ số (m= c/a) có thể tính toán được dựa vào hai phương trình trên, kết quả được biểu diễn trên hình 1. Một dây nano tỷ số cao có thể được xem như một hình phỏng cầu thon dài tỷ số cao (m lớn).

Dưới sự gần đúng này, trục khó từ hóa vuông góc với trục của dây nano, hằng số trường khử từ của dây nano theo phương này là Na = Nb = 2π; trong khi đó trục dễ từ hóa song song với trục của dây nano, hằng số trường khử từ của dây nano theo phương này là Nc = 0. Vì vậy, sự chênh lệch dạng năng lượng dị hướng của dây nano được viết theo 2 cách như sau: Ku = ΔED = EDa – EDc = πMs2 (1.6) Cần lưu ý rằng, để thông qua sự gần đúng hình trụ dài, tỷ số của các dây nano phải lớn hơn 10 [24]. Các hệ số khử từ 3 bán trục a, b, c của elipxoit thon dài được cho bởi: b 1 ab  4c  ab(3a  b) N a  4  ln   (1.8) a  b 2 c2  a  b  4c (a  b) 2 ab   4c   Nc  4 ln    1 c2   (1.9)   ab   Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª TuÊn Tó 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thái 1.3 Hình phỏng cầu dẹt (c =b > a) Một đoạn từ tính hình đĩa trong một dây nano nhiều đoạn có thể coi gần đúng như hình phỏng cầu dẹt [30].

Các hằng số trường khử từ của một hình phỏng cầu dẹt được cho bởi: m2  1 (m2  1)1/2  N a  4 2 1  arcsin m  1  (m2  1)1/2  (1.11) m  Trong đó tỷ số m là: m=c/a Một đoạn từ tính trong dây nano nhiều đoạn thường có dạng hình đĩa. Một đoạn từ tính có thể xem như một hình phỏng cầu dẹt với tỷ số rất thấp. Trục khó từ hóa song song với trục của dây nano nhiều đoạn và hằng số trường khử từ Na theo hướng này bằng 4π; trong khi đó trục dễ từ hóa vuông góc với trục của dây nano nhiều đoạn, hằng số trường khử từ Nc = Nb theo hướng này bằng 0.