Luận văn: Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc spin điện tử micro-nano ứng dụng chip sinh học

Luận văn thạc sĩ: Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc spin điện tử micrô nano cho chip sinh học. Ứng dụng tiềm năng trong y sinh và công nghệ nano.

• Tác giả: Bùi Đình Tú
• Người hướng dẫn: Trần Mậu Danh
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu một số cấu trúc spin - điện tử micro-nano ứng dụng trong chíp sinh học
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Mục lục
• Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1. TỔNG QUAN CHÍP SINH HỌC DỰA TRÊN CÁC HIỆU ỨNG ĐIỆN TỪ
• 1.1. Nguyên lý chung của chíp sinh học
• 1.2. Các loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ
• 1.3. Cảm biến từ điện trở dị hướng
• 1.4. Cảm biến từ trở khổng lồ (GMR)
• 1.5. Cảm biến cấu trúc van-spin (SV)
• 1.6. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường
• 1.7. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (TMR)
• 1.8. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE)
• 1.9. So sánh và nhận xét
• 1.10. Lựa chọn vật liệu chế tạo cảm biến Hall phẳng
• 2. Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca-tốt
• 2.2. Thiết bị phún xạ ATC-2000FC
• 2.3. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng có hiệu ứng Hall phẳng
• 2.4. Các cấu trúc màng nghiên cứu
• 2.5. Khảo sát tính chất điện từ của vật liệu cảm biến
• 2.6. Đo đường cong từ trễ bằng hệ đo từ kế mẫu rung
• 2.7. Đo hiệu ứng từ-điện trở.Đo hiệu ứng Hall phẳng
• 2.8. Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện
• 2.9. Thiết bị quang khắc MJB4
• 2.10. Quy trình quang khắc chế tạo cảm biến Hall phẳng
• 3. Chương 3 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU CẢM BIẾN
• 3.1. Tính chất vật lý của màng NiFe/Cu/NiFe
• 3.2. Quá trình từ hóa của màng NiFe/Cu/NiFe
• 3.3. Hiệu ứng từ-điện trở của màng NiFe/Cu/NiFe
• 3.4. Hiệu ứng Hall phẳng của màng NiFe/Cu/NiFe
• 3.5. Tính chất vật lý của màng hai lớp NiFe/IrMn
• 3.6. Cấu trúc tinh thể của màng hai lớp NiFe/IrMn
• 3.7. Quá trình từ hóa của màng hai lớp NiFe/IrMn
• 3.8. Hiệu ứng từ điện trở của màng hai lớp NiFe/IrMn
• 3.9. Hiệu ứng Hall phẳng của màng cấu trúc hai lớp NiFe/IrMn
• 3.10. Nghiên cứu vật liệu có cấu trúc van-spin
• 3.11. Nghiên cứu cấu trúc van-spin với lớp sắt từ bị ghim CoFe
• 3.12. Nghiên cứu cấu trúc van-spin với lớp ghim NiFe và CoFe
• 3.13. Nghiên cứu cấu trúc van-spin với lớp sắt từ tự do NiFe có chiều dày thay đổi (NiFe(t f)/Cu/NiFe/IrMn)
• 3.14. Nghiên cứu cấu trúc van-spin với chiều dày lớp Cu thay đổi
• 3.15. Lựa chọn cấu trúc van-spin tối ưu cho độ nhạy của cảm biến PHE
• 4. Chương 4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN VÀ THỬ NGHIỆM
• 4.1. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM B IẾN VÀ THỬ NGHIỆM
• 4.2. PHÁT HIỆN HẠT TỪ
• 4.3. Thiết kế cảm biến
• 4.4. Phương pháp thực nghiệm khảo sát hoạt động của cảm biến
• 4.5. Khảo sát đặc trưng của cảm biến Hall phẳng
• 4.6. Cảm biến dựa trên cấu trúc hai lớp NiFe/IrMn
• 4.7. Cảm biến cấu trúc ba lớp NiFe(5)/Cu(1,2)/NiFe(2) n m
• 4.8. Cảm biến cấu trúc van-spin NiFe(26)/Cu(1,2)/NiFe(1)/IrMn(15) nm
• 4.9. Thử nghiệm phát hiện hạt từ của cảm biến Hall phẳng
• 4.10. Phương pháp thực nghiệm sử dụng cảm biến phát hiện hạt từ
• 4.11. Phát hiện hạt từ của cảm biến cấu trúc hai lớp NiFe(20)/IrMn(15) n m
• 4.12. Khảo sát hạt từ với cảm biến van-spin
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Chip Sinh Học Spin Điện Tử Micro Nano

Việc dò tìm các phân tử sinh học có vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh, phát hiện đột biến gen, tương tác kháng thể - kháng nguyên, và nhận biết các chất độc. Các phương pháp truyền thống đòi hỏi phòng thí nghiệm hiện đại và cán bộ chuyên môn cao. Gần đây, ý tưởng tích hợp tất cả các quá trình phân tích vào một thiết bị cầm tay, cho kết quả ngay lập tức, đã thu hút sự quan tâm lớn. Đó là ý tưởng của hệ thống “lab-on-chip”, đơn giản hóa và tăng cường hiệu quả phân tích trong điều trị y tế và nghiên cứu sinh học. Lab-on-chip mở ra những khả năng ứng dụng mới, bao gồm cả phân tích không khí, phân tích đất xung quanh các khu vực nguy hiểm, và bất cứ nơi đâu mà kết quả kiểm tra tức thời là quan trọng. Sự kết hợp giữa vi điện tử và chip sinh học (Biochip) đang tạo ra các linh kiện và công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi và có sự ảnh hưởng lớn trong xã hội hiện đại. Linh kiện có kích thước, cấu trúc micro-nano có nhiều ưu điểm. Ví dụ điển hình là một “lab-on-a-chip”, trong đó tất cả các quá trình trong việc phân tích một mẫu lý, hóa, sinh học đều được thực hiện trên một chíp silicon hoặc trên các đế polymer. Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm. Thứ nhất cần ít chất phản ứng, có nghĩa là giảm được giá thành trong một phản ứng và hạn chế được rất nhiều những nguy hiểm khi sử dụng. Hơn nữa, phương pháp cho các kết quả nhanh chóng đồng thời dễ dàng với người sử dụng. Sử dụng từ tính trong các hệ thống “lab-on-a-chip” đem lại một số lợi ích. Trước hết, cơ cấu điều khiển từ tính và các kỹ thuật cảm biến đã phát triển rất tốt từ khi chúng được sử dụng làm bộ phận đọc/lưu trữ dữ liệu của các ổ cứng máy tính – lĩnh vực khác của vật lý ứng dụng nơi mà sự tối thiểu hóa dẫn tới những tiến bộ và những ứng dụng đáng kinh ngạc. Hơn nữa, nhận thức của con người về các tính chất vật liệu rất rộng và các kỹ thuật chế tạo đã phát triển ở trình độ cao. Trong những năm gần đây cảm biến từ tính được ứng dụng trong các phân tích sinh học, với kết quả khả quan so với các kỹ thuật hiện tại. Phân tử sinh học được gắn với một hạt từ tính và sự có mặt của nó được nhận ra thông qua các nhãn đánh dấu. Việc phát hiện các phân tử theo cách này cho đến nay hiện là phương pháp duy nhất về mặt nguyên tắc, là đủ nhạy để phát hiện một đơn phân tử. Trong khuôn khổ luận án này chúng tôi sẽ đưa ra các kết quả nghiên cứu chứng minh rằng các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng cho các kết quả rất khả quan với độ nhạy đủ lớn để phát hiện các hạt từ được chức năng hóa sinh học. Các cảm biến Hall phẳng có thể được tích hợp với hệ thống vi lưu (micro-fluidics) để làm phần cảm ứng của một lab-on-a-chip cho phân tích sinh học.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Chip Sinh Học Micro Nano Chi Tiết

Các chip sinh học hoạt động dựa trên việc phát hiện tương tác đặc hữu giữa các phân tử sinh học, ví dụ như lai hóa giữa các sợi đơn DNA-DNA. Về cấu trúc, chip sinh học gồm phần nhận biết tín hiệu sinh học và bộ chuyển đổi. Phần nhận biết tín hiệu sinh học nhận dạng các tương tác sinh học. Bộ chuyển đổi biến đổi tín hiệu thành tín hiệu vật lý để nhận biết. Một chip sinh học thông thường bao gồm: một dãy đầu dò, buồng lai hóa, cơ cấu sắp xếp các bia tùy chọn theo dãy và các hạt dò tìm. Các đầu dò và hạt dò tìm chứa đựng thông tin biết trước. Tùy thuộc vào bản chất sự tương tác (lai hóa) và vị trí của các tương tác sinh học xảy ra, cho phép so sánh thông tin từ các đầu dò để xác định thông tin từ các phần tử sinh học cần dò tìm.Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại cảm biến sinh học. Tuy nhiên về nguyên lý cơ bản có thể phân loại theo các phương pháp dò tìm sau: - Dò tìm theo phương pháp huỳnh quang. - Dò tìm sử dụng các hạt nano từ. - Dò tìm sử dụng phương pháp điện hóa. - Dò tìm bằng phương pháp phóng xạ. - Dò tìm theo phương pháp độ nhạy khối lượng. - Dò tìm theo phương pháp độ nhạy điện tích. - Dò tìm phụ thuộc vào độ nhạy của hệ số khúc xạ. - Sự ô xi hóa của điện cực guanin.

1.2. So Sánh Các Phương Pháp Dò Tìm Trong Chip Sinh Học

Trên thế giới, dò tìm bằng đánh dấu huỳnh quang và công nghệ spin điện tử (spintronic) được sử dụng rộng rãi nhất. Ở Việt Nam, dò tìm bằng điện hóa và độ nhạy khối cũng được nghiên cứu. Phương pháp dò tìm sử dụng các hạt nano từ được triển khai ở phòng thí nghiệm Công nghệ Micrô và Nanô và Bộ môn vật liệu và linh kiện nanô từ tính của trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội trên cơ sở phát huy truyền thống nghiên cứu từ học của nhóm nghiên cứu này.Phương pháp dò tìm sử dụng công nghệ spin điện tử có nhiều ưu thế, khắc phục được mặt hạn chế của phương pháp huỳnh quang. Thay vì nhận biết các phân tử sinh học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay lade, chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến ứng dụng công nghệ spin điện tử tiêu thụ ít năng lượng do quá trình biến đổi trong các thiết bị spintronics dựa trên sự đổi chiều của các spin; tín hiệu nhiễu giảm do tính chất phi từ của các phần tử sinh học; có độ ổn định cao, phép đo có thể thực hiện được nhiều lần. Thời gian đảo các spin từ trạng thái “up” và “down” ngắn; độ nhạy cao, dễ tích hợp và dễ tự động hóa khiến cho nó có khả năng cùng một lúc có thể phân tích được nhiều mẫu sinh học; có ưu thế trong việc phân tích ở nồng độ nhỏ.

1.3. Ưu Điểm Của Công Nghệ Spin Điện Tử Trong Chip Sinh Học

Trong các cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ - điện trở có nhiều ưu điểm nổi trội hơn nhờ khả năng chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện và có thể sử dụng nhiều lần trong điều kiện dã ngoại. Thêm vào đó các cảm biến từ có giá thành rẻ hơn. Các vật liệu có hiệu ứng từ - điện trở như: hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ, hiệu ứng van - spin là một phát kiến quan trọng cuối thế kỷ 20, đang là vật liệu cơ bản cho kỹ thuật spintronics [76] của thế kỷ 21.Ở Việt Nam, đã có nhiều nhóm nghiên cứu mạnh, có truyền thống về lĩnh vực này và việc nghiên cứu nâng cao phẩm chất, có độ ổn định; phát triển thành các công nghệ lõi và triển khai ứng dụng cụ thể của vật liệu có hiệu ứng từ - điện trở ở trong nước.Việt Nam đang cần và đang có khả năng nghiên cứu áp dụng công nghệ micrô và nanô để chế tạo các cảm biến, phát triển các loại linh kiện tổ hợp sinh học (biochips) ứng dụng trong y-sinh và môi trường như phát hiện vi khuẩn, vi rút hoặc thực phẩm biến đổi gen,. Chính vì vậy, việc xây dựng cơ sở để phát triển các vấn đề khoa học liên ngành giữa khoa học vật liệu, khoa học và công nghệ nanô, công nghệ sinh học và công nghệ chế tạo linh kiện là cần thiết.

II. Các Loại Cảm Biến Dựa Trên Hiệu Ứng Từ Micro Nano Hiện Nay

Các cảm biến phổ biến là các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), từ điện-trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), các cảm biến van-spin, cảm biến Hall thường (HE), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) và cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall mặt phẳng (PHE). Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance - MR) thường xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường. Nguồn gốc của MR từ sự kết cặp spin-quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử mạng. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) cũng bắt nguồn từ kết cặp spin - quỹ đạo, nhưng tồn tại trong các vật liệu có mô-men từ dị hướng. Hiệu ứng AMR phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật liệu và spin của các nguyên tử trong tinh thể; phụ thuộc vào cấu trúc đô-men của vật liệu sắt từ. Độ lớn của hiệu ứng từ điện trở dị hướng được xác định bởi: AMR =(ρ||- ρ┴)/ ρav, trong đó ρav là điện trở suất trung bình của các vật liệu sắt từ.

2.1. Cảm Biến Từ Điện Trở Dị Hướng AMR Và Ứng Dụng

Miller là người đầu tiên giới thiệu phương pháp dò tìm các hạt từ sử dụng hiệu ứng AMR vào năm 2002. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến AMR là dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng mô-men từ của vật liệu làm cảm biến. Sự thay đổi từ trạng thái r // (chưa có mặt hạt từ) sang trạng thái r^ (có mặt hạt từ) làm thay đổi điện trở của cảm biến và xuất hiện sự thay đổi thế hiệu. Trên các vật liệu sắt từ như Fe, Co, Ni và hợp kim của chúng hiệu ứng này thường khá lớn so với vật liệu không từ. Cấu trúc này thích hợp trong việc dò tìm các hạt từ đơn lẻ. Các hạt từ đặt ở trung tâm của vòng tròn NiFe với bán kính bên trong của vòng tròn phù hợp với bán kính của hạt.

2.2. Cảm Biến Từ Trở Khổng Lồ GMR Trong Chẩn Đoán Sinh Học

Từ trở khổng lồ (GMR) được phát hiện vào năm 1988. Năm 2000, Edelstein và đồng nghiệp sử dụng cảm biến sinh học dựa vào hiệu ứng GMR đã phát hiện được các tác nhân kháng khuẩn theo phương pháp đếm chuỗi hạt (BARC - The Bead Array Counter) tương ứng với chuỗi các cảm biến GMR [72]. Gần đây, các cảm biến GMR kích thước nanô mét đã được chế tạo và sử dụng để khảo sát các đặc trưng cơ bản [20]. Các nghiên cứu chỉ ra mức tín hiệu/nhiễu (S/N) thu được của các cảm biến có nhiều triển vọng đối với việc phát hiện đơn hạt có kích thước 100 nm nhưng thực tế vẫn chưa có thực nghiệm nào thực hiện được. Cấu trúc của 1 cảm biến GMR chuẩn bao gồm 3 lớp vật liệu (lớp sắt từ (FM)/ lớp phi từ (NM)/lớp sắt từ (FM)). Ở trạng thái ban đầu (khi chưa bị từ hóa theo từ trường ngoài) mô-men từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường. Đồng thời với quá trình quay đó của vector từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh (điện tử khi chạy qua các lớp của cảm biến sẽ ít bị tán xạ).

2.3. Cảm Biến Cấu Trúc Van Spin SV Phát Hiện Phân Tử Sinh Học

Các cảm biến van-spin đã được nhóm của giáo sư Freitas (INESC-MN, Bồ Đào Nha, www.pt) [23, 24, 25, 37] phát triển và ứng dụng như các cảm biến sinh học. Gần đây, Graham và các đồng nghiệp đã chứng minh việc phát hiện DNA lai hóa sử dụng các chíp van-spin của họ [22]. Ngoài ra sự phát hiện đơn hạt kích Dynabeads M-280 (đường kính hạt 2.8µm) bằng các cảm biến van-spin cũng đã được thực hiện bởi Livà các đồng nghiệp. Cấu trúc chuẩn của cảm biến van-spin bao gồm 4 lớp vật liệu (lớp phản sắt từ/ lớp sắt từ bị ghim/ lớp phi từ/ lớp sắt từ tự do). Hai lớp sắt từ được ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại không từ, trong đó 1 lớp sắt từ tự do, 1 lớp được ghim bằng tương tác trao đổi với 1 lớp vật liệu phản sắt từ [28]. Khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, từ độ của lớp sắt từ tự do ngược chiều với từ độ của lớp sắt từ bị ghim, do đó điện tử khó di chuyển qua các lớp của cảm biến, vì vậy điện trở của cảm biến là lớn. Khi có từ trường ngoài (từ trường của hạt từ), mô-men từ của lớp sắt từ tự do sẽ quay theo hướng từ trường ngoài, làm cho từ độ của lớp sắt từ tự do và từ độ của lớp sắt từ bị ghim định hướng song song với nhau, do đó các điện tử có thể truyền qua các lớp của cảm biến và điện trở của cảm biến giảm.

III. Cảm Biến Hall Phẳng Micro Nano Thiết Kế Chế Tạo và Ứng Dụng

Các cảm biến Hall phẳng dạng cầu đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trong việc phát hiện các hạt từ kích thước micro và nano ứng được chức năng hóa ứng dụng trong sinh học trong vài năm gần đây. Hiệu ứng Hall phẳng xuất hiện khi phương của từ độ M tạo một góc so với chiều dòng I. Hiệu ứng này có nguyên nhân từ sự tán xạ của điện tử theo phương từ độ của lớp sắt từ (xem Hình 1. Nguồn gốc của hiệu ứng Hall phẳng là hiệu ứng AMR. Trong cấu trúc Hall phẳng, từ độ của lớp NiFe ở trạng thái ban đầu phải nằm dọc theo hướng của dòng điện. Dưới tác dụng của từ trường đặt vào ( H ^ J ), từ độ bị quay, làm thay đổi trạng thái điện trở và thay đổi điện áp Hall. Cảm biến Hall phẳng có thể nhận biết trong vùng từ trường có cường độ nhỏ nhất là 32 nT. Trong cấu trúc spin-van, năng lượng từ của các lớp sắt từ được viết như sau: E tot  K up tp sin 2  p  HM s tp cos(    p )  M sptp H ex cos(   f )  K uf tf sin 2  f  M sf tf H cos(   f )  E J cos( f   p ).

3.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Cảm Biến Hall Phẳng PHE

So với các cảm biến khác, chíp sinh học sử dụng hiệu ứng van-spin có độ nhạy lớn nhất, nhưng điều kiện tối ưu cả về độ nhạy, tỉ số tín hiệu/nhiễu và sự thuận tiện khi sử dụng lại thuộc về hiệu ứng Hall phẳng. Chính vì lý do này, cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng để sử dụng phát hiện phần tử sinh học đã được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án.

3.2. Vật Liệu Chế Tạo Cảm Biến Hall Phẳng Lựa Chọn Tối Ưu

Vật liệu nổi bật nhất cho các ứng dụng cảm biến được chế tạo từ vật liệu Permalloy vì cả Hk và λs đều rất thấp với một hệ số từ điện trở đáng kể [83]. Ngoài ra với lớp ghim từ chúng tôi chọn IrMn bởi vật liệu này có nhiệt độ Block cao xấp xỉ 520 K (nhiệt độ Block (T B) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành chất thuận từ), nhiệt độ này có thể đạt được ngay sau khi phún xạ ở nhiệt độ phòng mà không cần bất cứ quá trình ủ nhiệt nào.

3.3. Nguyên Lý Phát Hiện Hạt Từ Bằng Cảm Biến Hall Phẳng

Hoạt động của cảm biến Hall phẳng khi phát hiện các hạt từ dựa trên nguyên lý đo từ trường tán xạ do hạt từ sinh ra trên bề mặt cảm biến. Từ độ của các hạt từ. Hạt từ có thể được mô tả chỉ như là một lưỡng cực từ ở tâm của hạt từ với một từ trường là H dip ở khoảng cách r. Tuy nhiên, trong thực tế tín hiệu ra của cảm biến phụ thuộc vào sự che phủ của hạt từ và số hạt từ trên bề mặt cảm biến. Khi đó từ trường tổng cộng được xác định khi có Nhạt hoạt động độc lập trên bề mặt cảm biến.

IV. Phương Pháp Thực Nghiệm Chế Tạo Chip Spin Điện Tử Micro Nano

Các nghiên cứu thực nghiệm của luận án này được thực hiện một phần tại trung tâm nghiên cứu vật liệu từ tiên tiến, trường Đại học quốc gia Chung Nam Hàn Quốc; một phần thực hiện tại phòng thí nghiệm Công nghệ Micrô – Nanô (dự án đầu tư của Đại học Công nghệ giai đoạn 2006-2009). Quá trình phún xạ các lớp vật liệu để chế tạo một số màng mỏng đa lớp được nghiên cứu trong luận án đã được thực hiện trên thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC. Các lớp màng mỏng khác nhau trong các cấu trúc màng khác nhau bao gồm màng hai lớp, ba lớp và màng cấu trúc van-spin được nghiên cứu trong luận án này được chế tạo sử dụng nguồn một chiều Magnetron với công suất phún xạ DC 30W, áp suất cơ sở trong buồng phún xạ được giữ ở dưới 1,710-7 Torr, áp suất khí Argon làm việc là PAr = 310-3 Torr.

4.1. Quy Trình Phún Xạ Màng Mỏng Chi Tiết

Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng bao gồm các bước từ chuẩn bị đế, phún xạ màng cách bố trí và quy trình cụ thể trong chế tạo, xác định độ dày các mẫu (tốc độ lắng đọng màng) được mô tả dưới đây. Màng mỏng được nghiên cứu trong luận án được chế tạo trên đế Si đã được ôxi hóa một lớp SiO2 (có chiều dày 500 ÷ 1000 nm) dày 1,0 mm, kích thước 1,2×1,2 cm2. Trong quá trình chế tạo, để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 20 vòng/phút.

4.2. Các Cấu Trúc Màng Mỏng Được Nghiên Cứu

Ba cấu trúc màng mỏng đã được chế tạo và nghiên cứu trong luận án là: Màng mỏng có cấu trúc 2 lớp Ta(5)/NiFe(20)/IrMn(10)/Ta(5) (nm), Màng mỏng có cấu trúc 3 lớp Ta(5)/NiFe(5)/Cu(3)/NiFe(2)/Ta(5) (nm) và Màng mỏng có cấu trúc spin-van.

4.3. Đo Đạc Khảo Sát Tính Chất Điện Từ Của Vật Liệu

Tính chất từ và quá trình từ hóa của các màng mỏng từ được khảo sát thông qua phép đo đường cong từ trễ sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7404 ở nhiệt độ phòng tại PTN Micrô-Nanô, Trường Đại học Công nghệ. Mẫu được gắn vào cần rung và đặt tại tâm của hệ gồm 4 cuộn dây mắc thành cặp xung đối. Trong quá trình thực hiện phép đo, mẫu sắt từ được dao động với một tần số nhất định làm xuất hiện từ thông đi qua cuộn dây thu tín hiệu biến thiên.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Vật Liệu Cho Chip Spin Điện Tử Micro Nano

Nghiên cứu và đo đạc thực nghiệm các tính chất liên quan đến cấu trúc/vi cấu trúc, tính chất từ, từ-điện trở và hiệu ứng Hall trên các cấu trúc khác nhau. Áp dụng mô hình lý thuyết để tính toán và mô phỏng các kết quả thu được, qua đó giải thích được các tích chất và mối liên hệ với cấu trúc của vật liệu và xây dựng, thiết kế cấu hình tối ưu cho vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến.

5.1. Nghiên Cứu Tính Chất Từ Cấu Trúc Của Vật Liệu

Đo đạc thực nghiệm các tính chất liên quan đến cấu trúc/vi cấu trúc, tính chất từ trên các cấu trúc màng mỏng, đồng thời áp dụng mô hình lý thuyết để tính toán và mô phỏng các kết quả thu được.

5.2. Thiết Kế Chế Tạo Sensor Kích Thước Micro Nano

Chế tạo các cảm biến Hall phẳng sử dụng các công nghệ tiểu hình hóa trong phòng sạch. Cảm biến bao gồm các sensor đơn và chuỗi tổ hợp gồm nhiều sensor có kích thướcmicrô-nanô có hiệu ứng Hall phẳng cao, nhạy từ trường thấp cỡ từ trường tán xạ của các hạt từ tính micrô-nanô.

5.3. Khảo Sát Đánh Giá Khả Năng Phát Hiện Hạt Từ

Sử dụng sensor chế tạo được để phát hiện các hạt từ có kích thước nanô hoặc micrô mét. Khảo sát và đo đạc hiệu ứng Hall phụ thuộc thời gian và sự có mặt của các hạt từ tính thương mại. Đánh giá độ nhạy và độ lặp lại của sensor.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chip Spin Điện Tử Micro Nano

Các kết quả nghiên cứu và phát triển cảm biến spin điện tử micro-nano mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học, chẩn đoán bệnh và phân tích môi trường. Các cảm biến này có độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng tích hợp dễ dàng, phù hợp cho các thiết bị chẩn đoán tại chỗ và ứng dụng di động.

6.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Chẩn Đoán Bệnh

Ứng dụng trong chẩn đoán nhanh các bệnh truyền nhiễm, ung thư, và các bệnh di truyền thông qua việc phát hiện các dấu ấn sinh học đặc hiệu.

6.2. Phát Triển Thiết Bị Chẩn Đoán Tại Chỗ Micro Nano

Phát triển các thiết bị chẩn đoán di động, nhỏ gọn, cho phép thực hiện các xét nghiệm nhanh chóng và chính xác tại các vùng sâu vùng xa, không có điều kiện tiếp cận với các phòng thí nghiệm hiện đại.

6.3. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Vật Liệu Spin Điện Tử

Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới, có tính chất spin điện tử ưu việt hơn, nhằm nâng cao độ nhạy, độ ổn định và hiệu suất của cảm biến. Đồng thời, tập trung vào việc tích hợp cảm biến với các hệ thống vi lỏng và xử lý tín hiệu thông minh để tạo ra các thiết bị hoàn chỉnh và dễ sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Sự nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng các loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sự sống, trong chuẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu y tế và cả trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường. Theo phương pháp truyền thống các mẫu cần phân tích được lấy tại hiện trường, bảo quản và đưa về phân tích tại các phòng thí nghiệm. Để thực hiện được điều này, yêu cầu phải có những phòng thí nghiệm hiện đại và đắt tiền. Kèm theo đó là đội ngũ cán bộ có năng lực chuyên môn cao, có khả năng thực hiện, đánh giá và phân tích các kết quả.

Gần đây, ý tưởng tích hợp tất cả những quá trình phân tích trên thành một thiết bị cầm tay dễ sử dụng, có thể cho kết quả ngay lập tức tại vị trí cần phân tích, đã nhận được rất nhiều s ự quan tâm từ các nhà nghiên cứu đến các công ty công nghệ sinh học [32, 46, 88]. Đó là ý tưởng của một hệ thống dạng “lab-on-chip”. Ý tưởng này được đưa ra để đơn giản hoá và tăng cường hiệu quả cho nhiệm vụ phân tích, phát hiện trong các lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học. Lab-on- chip mở ra những khả năng ứng dụng hoàn toàn mới mẻ và phong phú, bao gồm cả các phân tích trong không khí, phân tích vùng đất xung quanh các nơi có thể gặp nguy hiểm hay bất cứ nơi đâu mà các kết quả kiểm tra có ngay lập tức tại hiện trường là quan trọng [18,19,38,39,43,60,61,70,79].

Thực tế, các hệ thống “lab-on-a- chip” được đặt niềm tin với t iềm năng như các hệ vi điện tử của những năm 1980 [47]. Sự kết hợp giữa lĩnh vực vi điện tử và chíp sinh học (Biochip) đang tạo ra các linh kiện và công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi và có sự ảnh hưởng lớn trong xã hội hiện đại. Linh kiện có kích thước, cấu trúc micrô và nanô có nhiều ưu điểm. Ví dụ điển hình là một “lab-on-a-chip”, trong đó tất cả các quá trình trong việc phân tích một mẫu lý, hóa, sinh học đều được thực hiện trên một chíp silicon hoặc trên các đế polymer.

Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm. Thứ nhất cần ít chất phản ứng, có 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] nghĩa là giảm được giá thành trong một phản ứng và hạn chế được rất nhiều những nguy hiểm khi sử dụng. Hơn nữa, phương pháp cho các kết quả nhanh chóng đồng thời dễ dàng với người sử dụng. Sử dụng từ tính trong các hệ thống “lab-on-a-chip” đem lại một số lợi ích.

Trước hết, cơ cấu điều khiển từ tính và các kỹ thuật cảm biến đã phát triển rất tốt từ khi chúng được sử dụng làm bộ phận đọc/lưu trữ dữ liệu của các ổ cứng máy tính – lĩnh vực khác của vật lý ứng dụng nơi mà sự tối thiểu hóa dẫn tới những tiến bộ và những ứng dụng đáng kinh ngạc. Hơn nữa, nhận thức của con người về các tính chất vật liệu rất rộng và các kỹ thuật chế tạo đã phát triển ở trình độ cao. Trong những năm gần đây cảm biến từ tính được ứng dụng trong các phân tích sinh học, với kết quả khả quan s o với các kỹ thuật hiện tại. Phân tử sinh học được gắn với một hạt từ tính và sự có mặt của nó được nhận ra thông qua các nhãn đánh dấu.

Việc phát hiện các phân tử theo cách này cho đến nay hiện là phương pháp duy nhất về mặt nguyên tắc, là đủ nhạy để phát hiện một đơn phân tử. Trong khuôn khổ luận án này chúng tôi sẽ đưa ra các kết quả nghiên cứu chứng minh rằng các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng cho các kết quả rất khả quan với độ nhạy đủ lớn để phát hiện các hạt từ được chức năng hóa sinh học. Các cả m biến Hall phẳng có thể được tích hợp với hệ thống vi lưu (micro-flu idics) để làm phần cảm ứng của một lab-on-a-chip cho phân tích sinh học. Nguyên lý chung của chíp sinh học Các các chíp sinh học hoạt động dựa trên việc phát hiện tương tác đặc hữu giữa các phân tử sinh học.

Ví dụ như khi nhận dạng lai hóa giữa các sợi đơn DNA- DNA, các phân tử sinh học là phần bù của nhau sẽ tương tác với nhau do sự kết cặp của các nucleotide G-C và A-T. Dựa trên thông tin của tương tác đặc hữu giữa các phần tử sinh học, chúng ta chuẩn đoán được nhiều bệnh di truyền liên quan tới biến dị gen. Về cấu trúc, các chíp sinh học gồm có 2 thành phần chính là phần nhận biết tín hiệu sinh học và bộ chuyển đổi. Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống như 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] một phần tử sinh học, nó nhận dạng các tương tác sinh học.

Trong khi đóbộ chuyển đổi sẽ biến đổi tín hiệu nhận được thành tín hiệu vật lý để nhận biết. Về chi tiết, một chíp sinh học thông thường bao gồm các bộ phận sau: (1) một dãy các đầu dò được sắp xếp trên bề mặt cảm biến; (2) buồng lai hóa (thường là 1 bộ ráp nối các rãnh chứa chất lỏng có kích thước micro); (3) một cơ cấu để sắp xếp các bia tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các phân tích phân tử tích điện như DNA hoặc các dãy đường dẫn tạo từ trường cho các bia gắn hạt từ); (4) các hạt dò tìm [28, 30, 42, 59, 75]. Các đầu dò và các hạt dò tìm các phần tử chứa đựng các thông tin biết trước. Tùy thuộc vào bản chất sự tương tác (lai hóa) và vị trí của các tương tác sinh học (lai hóa) xảy ra, cho phép so sánh thông tin từ các đầu dò để xác định thông tin từ các phần tử sinh học cần dò tìm.

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại cảm biến sinh học. Tuy nhiên về nguyên lý cơ bản có thể phân loại theo các phương pháp dò tìm sau [30, 42, 63]: - Dò tìm theo phương pháp huỳnh quang. - Dò tìm sử dụng các hạt nano từ. - Dò tìm sử dụng phương pháp điện hóa.

- Dò tìm bằng phương pháp phóng xạ. - Dò tìm theo phương pháp độ nhạy khối lượng. - Dò tìm theo phương pháp độ nhạy điện tích. - Dò tìm phụ thuộc vào độ nhạy của hệ số khúc xạ.

- Sự ô xi hóa của điện cực guanin. Ở trên thế giới hai phương pháp dò tìm bằng đánh dấu huỳnh quang và bằng công nghệ spin điện tử(spintronic) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay [18, 19, 38, 39, 43, 60, 61, 70, 79]. Ở Việt Nam phương pháp dò tìm bằng điện hóa và độ nhạy khối cũng đã được một số nhóm triển khai nghiên cứu. Phương pháp dò tìm sử dụng các hạt nanô từ được triển khai ở phòng thí nghiệm Công nghệ Micrô và Nanô và Bộ môn vật liệu và linh kiện nanô từ tính của trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội trên cơ sở phát huy truyền thống nghiên cứu từ học của nhóm nghiên cứu này.

Phương pháp dò tìm sử dụng công nghệ spin điện tử có nhiều ưu 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] thế, khắc phục được mặt hạn chế của phương pháp huỳnh quang. Thay vì nhận biết các phân tử sinh học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay lade, chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến ứng dụng công nghệ spin điện tử tiêu thụ ít năng lượng do quá trình biến đổi trong các thiết bị spintronics dựa trên sự đổi chiều của các spin;tín hiệu nhiễu giảm do tính chất phi từ của các phần tử sinh học; có độ ổn định cao, phép đo có thể thực hiện được nhiều lần. Thời gian đảo các spin từ trạng thái “up” và “down” ngắn; độ nhạy cao, dễ tích hợp và dễ tự động hóa khiến cho nó có khả năng cùng một lúc có thể phân tích được nhiều mẫu sinh học; có ưu thế trong việc phân tích ở nồng độ nhỏ. Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử [28, 59, 63].

Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử được biểu diễn trên Hình 1.1, bao gồm một dãy các bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, buồng lai hóa (buồng phản ứng), một cơ cấu dùng để sắp xếp các bia tùy chọn theo dãy [28, 59, 63]. Một dãy đầu dò các phân tử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến. Dung dịch chứa các phân tử cần dò và các hạt từ có thể liên kết với bề mặt cảm biến thông qua quá trình lai hóa của các phân tử sinh học. Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư trong tự nhiên với kích thước cỡ nanô hoặc micrô mét đã được chức năng hóa và có khả năng liên kết với các phân 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] tử sinh học.

Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các hạt này sẽ bị từ hóa. Từ trường tổng cộng tác dụng lên cảm biến (từ trường ngoài và từ trường do hạt từ sinh ra) sẽ làm thay đổi tính chất vật lý của cảm biến, do đó giúp ta có thể gián tiếp nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích. Ví dụ, các hạt từ được chức năng hóa bề mặt với hoạt chất có tên gọi là streptavidin, sau đó dung dịch chứa hạt từ này được nhỏ lên chip. DNA của mẫu vật phẩm cần dò được gắn với hoạt chất có tên là biotin.

Các hạt từ được chức năng hóa sẽ liên kết với DNA cần dò thông qua tương tác biotin – streptavidin. Trên bề mặt chíp, các DNA dò đã được gắn sẵn [75]. Quá trình lai hóa giữa DNA dò và DNA cần dò sẽ được phát hiện bởi bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử để nhận được thông tin từ của phép đo, người ta bơm một dòng có cường độ ổn định, khi có mặt của hạt từ (khi có tương tác sinh học), điện trở của cảm biến thay đổi. Cảm biến nhận biết được sự có mặt của hạt từ qua sự thay đổi điện trở của cảm biến khi dòng qua cảm biến được đặt cố định.

Các loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ Các cảm biếnphổ biến là các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), từ điện-trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), các cảm biến van- spin, cảm biến Hall thường (HE), cả m biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) và cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall mặt phẳng (PHE).Dưới đâychúng tôi giới thiệu một số loại cảm biếnkhác nhau dựa trên hiệu ứng từ.