Chương 1 - Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoNiP. Chương 2 - Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3 - Kết quả và thảo luận. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoNiP 1.
Giới thiệu về dây nano 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 những lĩnh vực đó thì từ y sinh là lĩnh vực cực kỳ thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Hầu hết các hạt từ tính sử dụng đều có dạng hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hóa 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. Trong nhiều trường hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến. Dây nano từ tính là một dạng của hạt từ tính. Dây nano còn gọi là thanh nano, nó có cấu trúc dị hướng gần như một chiều, với tỷ số giữa chiều dài và đường kính của dây rất cao.
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 và số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vâ ̣t liê ̣u khố i. Các 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, dạng hạt hình phỏng cầu và dạng 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 lắng đọng điện hóa trên các tấm xốp có kích thước lỗ cỡ 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. Các tính chất từ quan trọng của dây nano từ tính như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư… phụ thuộc rất mạnh vào các tham số công nghệ như đường kính, chiều dài và thành phần hóa học của dây [17]. Trong nghiên cứu khoa học cũng như trong ứng dụng thực tế có hai loại dây nano đang được sử dụng một cách rộng rãi đó là dây nano từ tính một đoạn và dây nano từ tính nhiều đoạn.1 cho ta hình ảnh về dây nano từ một đoạn và dây nano từ nhiều đoạn. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
(a) dây nano đơn đoạn; (b) dây nano hai đoạn; (c) dây nano nhiều lớp hai thành phần; (d) chức năng hóa của dây nano hai thành phần 1. Các dây nano tạo mảng và phân tán Trong hầu hết các ứng dụng, dây nano đều được sử dụng ở dạng cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc.2(a) chỉ ra ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70 nm.2(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện được nhiều chức năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã được nghiên cứu chuyên sâu, cũng do đó mà khám phá được nhiều chức năng vốn có của chúng. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3(a) thể hiện hình ảnh dây nano CoPtP một đoạn.3(b) cho ta hình ảnh dây nano CoPtP sáu đoạn.
Đối với dây nano nhiều đoạn, các đoạn có thể được tổng hợp từ các nguyên tố từ - phi từ, điển hình đó là dây nano Ni-Cu, Fe-Cu. Hầu hết các dây nhiều đoạn này đều thể hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) rõ nét [15]. Tính chất từ của dây nano từ tính và sự ảnh hƣởng của từ trƣờng trong quá trình lắng đọng 1. Dị hƣớng hình dạng Đối với vật liệu từ, khi hình dạng của chúng là hình elipxoit hay hình trụ thì sẽ dễ bị từ hóa hơn so với hình dạng là hình cầu (khi hướng từ trường ngoài dọc theo trục dài của vật).Vật liệu có dạng hình cầu, hướng của từ trường không làm ảnh hưởng đến kết quả đo tính chất từ của mẫu.
Tuy nhiên, đối với vật liệu có hình dạng khác như màng mỏng hoặc dây thì hướng của từ trường khác nhau cho ta các kết quả khác nhau người ta gọi là dị hướng hình dạng [1]. Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì sinh ra bên trong vật một từ trường chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ. Trường khử từ Hd tỉ lệ với độ từ hóa M tạo ra nó, nhưng có hướng ngược lại, được cho bởi: d = - Nd (1) 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong đó Nd là hệ số trường khử từ 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 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 4. Na + Nb + Nc = 4π (2) Với một hướng từ hóa cho trước thì năng lượng từ tĩnh ED (erg/cm3) được cho bởi: ED = NdMs2 (3) trong đó: Ms là từ độ bão hòa của vật. Hình phỏng cầu thon dài Hình elipxoit thon Hình phỏng cầu dẹt Hình 1. Ba hình elipxoit đặc trưng Hình 1.4 biểu diễn 3 hình elipxoit đặc trưng thường sử dụng trong nghiên cứu các dây nano có từ tính: hình phỏng cầu thon dài (c > a =b), elipxoit thon (c » a > b) và hình phỏng cầu dẹt (c = b > a).
Chu trình từ trễ Đối với các dây nano, chu trình từ trễ được thể hiện như hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chu trình từ trễ của một mảng dây nano Ni: (a) từ trường H đặt song song với trục của dây nano; (b) từ trường H đặt vuông góc với trục của dây nano Các thông số thường được 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.5, trường bão hòa Hsat là trường phụ thuộc vào lực kháng từ 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 các 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 dạng và kích thước của mẫu. Một số ảnh hƣởng của từ trƣờng Nhóm nghiên cứu Kleber R. Pirota và các cộng sự đã chỉ ra rằng nếu không có từ trường, sự định hướng của hạt trong các lỗ là tương đối tự do. Khi có từ trường, các hạt trong các lỗ khuôn buộc phải định hướng theo hướng của từ trường, tạo thành một kết cấu mạnh mẽ.
Do đó khi có từ trường, cấu trúc của dây sẽ chặt chẽ hơn, các định hướng tinh thể cũng sẽ tốt hơn [9]. Với màng mỏng CoPtP, nhóm tác giả Ho Dong Park và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng. Kết quả được thể hiện trong hình1. Để tăng lực kháng từ, các tác giả đã tìm ra trong quá trình lắng đọng điện hóa cần phải đặt thêm từ trường ngoài.
Từ kết quả thu được cho thấy khi đặt từ trường ngoài từ 0 đến 1Tesla thì lực kháng từ của màng được tăng lên rõ rệt [8]. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Lực kháng từ của vật liệu CoPtP với các giá trị khác nhau của từ trường Ngoài ra nhóm nghiên cứu cũng thu được hình ảnh hiển vi lực nguyên tử AFM của màng mỏng CoPtP trong trường hợp không có và có từ trường đặt trong quá trình lắng đọng. Hình ảnh AFM của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa: (a) không có từ trường ngoài; (b) có từ trường ngoài (1 Tesla) Từ hình ảnh 1.7, ta thấy kích thước hạt nhỏ hơn khi mẫu được lắng đọng trong từ trường.
9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Như vậy từ các nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học cho thấy, từ trường có ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc và tính chất của vật liệu được lắng đọng bằng phương pháp điện hóa. Một số ứng dụng của dây nano từ tính Các dây nano có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các ngành khác nhau như y sinh (phân tách các phân tử sinh học, phân phối gen, bẫy từ của các tế bào…) và cảm biến, ghi từ… 1. Tăng mật độ bộ nhớ bằng các dây nano Các nhà vật lý Mỹ vừa công bố một kỹ thuật mới cho phép chúng ta nhảy thêm một bước trong việc sử dụng các dây nano từ tính cho các linh kiện lưu trữ thông tin mật độ cao. Kỹ thuật này bao gồm việc di chuyển các vách đômen từ (magnetic domain wall) dọc theo một dây nano bằng cách sử dụng mật độ dòng phân cực spin cực nhỏ so với các kỹ thuật trước đây.
Các nhà nghiên cứu khẳng định rằng bước nhảy này có thể đem lại một loại bộ nhớ từ mới với mật độ lưu trữ gấp hàng trăm lần so với các bộ nhớ RAM hiện nay. Vách đômen từ tính là một biên hẹp giữa 2 domain từ liên tiếp, mà có vector từ hóa hướng theo hai phương khác nhau. Vách đômen có thể di chuyển trong vật liệu bằng cách đặt một từ trường ngoài hoặc đặt một dòng phân cực spin. Một số nhà vật lý đã tính toán được rằng chuyển động này có thể được khai thác trong các bộ nhớ kiểu "racetrack", mà có thể lưu trữ dữ liệu với mật độ lớn hơn các bộ nhớ RAM hiện tại rất nhiều.
Trong một bộ nhớ "racetrack", dữ liệu được lưu trữ theo một dãy của các đômen từ tính - được ngăn cách bởi các vách đômen, dọc theo một dây nano (hình 1. Các bit riêng biệt được lưu trữ và truy xuất bằng cách dịch chuyển các dãy này dọc theo các dây nano và cắt ngang đầu đọc, đầu ghi.