Chương 1: Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoPtP. 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 CoPtP 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính Dây nano là một vật liệu đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng không chỉ vì cấu trúc hình học đặc biệt của nó mà còn vì chúng sở hữu những tính chất vật lý quan trọng bao gồm: tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và tính chất cơ.
Khoảng một thập kỉ trước, các nghiên cứu cho thấy dây nano sở hữu nhiều tính chất từ đặc biệt. Thậm chí, tính chất từ của dây nano còn phụ thuộc nhiều vào đường kính và tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây nano (tỷ số hình dạng), điều đó cho thấy tính chất từ của dây nano có thể được kiểm soát thông qua việc kiểm soát các tham số hình dạng. Điển hình đó là đối với dây nano từ tính (Fe, Co, và Ni), với tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây tương đối lớn và cân xứng (ví dụ: lớn hơn 5 lần) thì chúng cho thấy trục dễ khi đó là dọc theo chiều dài của dây. Dây nano từ tính hay còn được gọi là thanh nano từ tính có cấu trúc dị hướng gần như một chiều với tỷ số giữa đường kính và chiều dài rất cao [1].
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 (Nmặt ngoài) và số nguyên tử tổng cộng (N) của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vâ ̣t liê ̣u khố i. Thí dụ, đối với một hạt nano hình cầu bán kính R cấu tạo từ các nguyên tử có kích thước trung bình a, tỷ số này bằng [1]: Nmặtngoài 3a ≈ N R Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều nằm trên bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh.
Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ…. Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước [1]. Không giống như các ống nano cacbon, các điện tử có thể di chuyển tự do trong ống, độ dẫn của dây nano bị ảnh hưởng lớn của hiệu ứng biên. Trong đó, nguyên nhân của hiệu ứng biên là khi các nguyên tử nằm trên bề mặt dây nano không được hoàn toàn gắn liền với các nguyên tử bên cạnh như trường hợp của các nguyên tử nằm bên trong dây nano.
Các nguyên tử không liên kết với nhau thường là nguồn gốc của các khuyết tật trong dây nano, và đó cũng có thể là nguyên nhân của việc các dây nano dẫn điện kém hơn so với vật liệu khác. Khi kích thước của dây nano giảm, các nguyên tử trên bề mặt sẽ nhiều hơn so với các nguyên tử bên trong dây nano, khi đó, hiệu ứng biên trở thành một tính chất quan trọng của dây nano [7]. Tính chất từ của dây nano được mô tả thông qua một số các tham số như từ dư, lực kháng từ. Trong đó, từ dư là tham số cho biết từ độ còn lại sau khi ngừng tác dụng từ trường ngoài vào dây nano.
Tỷ số từ dư của dây nano Fe, Co và Ni có thể lớn hơn 0.9 theo chiều dọc của dây. Lực kháng từ là một tham số quan trọng của vật liệu từ tính. Các nghiên cứu cho thấy dây nano từ tính có lực kháng từ rất lớn. Ngoài ra, một đặc điểm khác của dây nano từ có thể được ứng dụng vào một số kỹ thuật và công nghệ là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR – Giant magnatoresistance) [6].
Tóm lại, chúng ta có thể thay đổi các tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư, định hướng trục dễ từ hoá bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần của các đoạn từ tính/không từ tính của dây nano [18]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp tổng hợp, chế tạo và điều khiển các dây nano từ để có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực. 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 số những lĩnh vực đó thì từ y sinh là một lĩnh vực cực kì thú vị và đầy hứa hẹn.
Ví dụ, các hạt nano từ đã 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Đây là lĩnh vực phát triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã được phát triển, như phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào, cũng như một loạt các ứng dụng y học và trị liệu tiềm năng [19]. 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 điện hoá trên các tấm xốp có các lỗ kích thước 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.
Ngoài ra, chúng hầu hết có dạng hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hoá 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. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và các linh kiện, chúng ta cần phải tuân thủ một số điều kiện như: phải điều khiển môi trường hoá học hoặc giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến [1, 4].1 Các dây nano tạo mảng và phân tán Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều được sử dụng ở dạng cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc.1(a) chỉ ra một ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70 nm.1(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm.
Cần lưu ý rằng dây nano CuS được tạo thành mảng một cách ngẫu nhiên. Trong các ứng dụng y sinh, các dây nano thường bị treo lơ lửng trong các dung dịch [16]. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp Hình 1. Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã được nghiên cứu chuyên sâu, cũng do đó mà các nhà nghiên cứu đã khám phá được nhiều chức năng vốn có của chúng [12].2(a) biểu diễn dây nano CoPtP một đoạn.
Cần lưu ý rằng, dây nano một đoạn có thể được làm từ nguyên tố đơn lẻ như kim loại, hợp kim hoặc oxit.2(b) biểu diễn dây nano CoPtP sáu đoạn. Đối với dây nano đa đoạn, các đoạn có thể được tổng hợp từ các nguyên tố từ - phi từ, điển hình đó là dây nano: Ni-Cu, Fe- 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hầu hết các dây đa đoạn này thể hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) rõ nét và có nhiều ứng dụng trong ngành y sinh [12].2 Tính chất từ của dây nano từ tính 1.1 Dị hƣớng hình dạng Đối với vật liệu có dạng hình cầu, hướng của từ trường không ảnh hưởng đến kết quả đo tính chất từ của mẫu. Tuy nhiên, đối với vật liệu có hình dạng khác như màng mỏng, dây thì hướng của từ trường đo cho ta các kết quả khác nhau người ta gọi là dị hướng hình dạng.
Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì từ trường bên trong vật sinh ra có một từ trường chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ. Trường khử từ Hd tỉ lệ với từ độ M tạo ra nó, nhưng có hướng ngược lại, được cho bởi : 𝐻 d = -Nd𝑀 (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 mômen từ đồng đều trên toàn bộ vật. Một vật hình 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 4π.
Na + Nb + Nc = 4π (2) Cho trước hướng từ hóa thì năng lượng từ tĩnh ED (erg/cm3) được cho bởi: 1 ED = NdMs2 (3) 2 Trong đó: Ms là từ độ bão hòa của vật, Nd là hằng số trường khử từ.2 Chu trình từ trễ Chu trình từ trễ của một mẫu bất kỳ có mối quan hệ mật thiết với từ trường ngoài đặt vào. Bằng tính toán lý thuyết, người ta có thể thu được chu trình từ trễ của mẫu bằng cách cực tiểu hóa năng lượng tự do khi có từ trường ngoài. Chu trình từ trễ của một vật bị ảnh hưởng bởi các thông số như vật liệu, cấu trúc vĩ mô và hình dạng của vật, hướng của từ trường và quá trình từ hóa của mẫu. Đối với mảng các dây nano, tương tác giữa các dây nano đơn lẻ có thể ảnh hưởng tới quá trình từ trễ.
8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chu trình từ trễ của một dây nano. Các thông số thường 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.3, trường bão hòa Hsat là từ trường 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 momen từ trong vật hoàn toàn song song với nhau.