Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng vi cấu trúc từ Nd-Fe-B bằng kỹ thuật in phun

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng của vi cấu trúc từ nd fe b chế tạo bằng kỹ thuật in phun đến sự biến, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Doãn Thành
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Đức Thắng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng của vi cấu trúc từ Nd-Fe-B chế tạo bằng kỹ thuật in phun đến sự biến thiên từ trường bề mặt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Từ trường
• 1.2. Nguồn gốc của từ tính, vật liệu từ
• 1.3. Hạt từ tính
• 1.4. Vật liệu Nd-Fe-B
• 1.5. Một số phương pháp chế tạo hệ vi cấu trúc từ
• 1.6. Phương pháp phún xạ
• 1.7. Phương pháp quang khắc
• 1.8. Phương pháp in phun
• 2. CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Các phương pháp khảo sát tính chất vật liệu
• 2.2. Hệ từ kế mẫu rung
• 2.3. Thiết bị nhiễu xạ tia X
• 2.4. Thiết bị đo độ pH
• 2.5. Thiết bị đo phân bố kích thước hạt
• 2.6. Thiết bị đo độ nhớt
• 2.7. Kính hiển vi quang học
• 2.8. Kính hiển vi lực nguyên tử
• 2.9. Thiết bị in phun để chế tạo vi cấu trúc vật liệu
• 2.10. Mô phỏng một số hệ vi nam châm
• 3. CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chế tạo dung dịch in có từ tính. Khảo sát dung dịch mực chuẩn
• 3.2. Hạt từ Nd-Fe-B
• 3.3. Chế tạo vi cấu trúc từ bằng thiết bị in phun
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vi Cấu Trúc Nd Fe B Cơ Sở Lý Thuyết và Ứng Dụng

Vật liệu Nd-Fe-B là một hợp chất quan trọng trong lĩnh vực vật liệu từ, đặc biệt là nam châm vĩnh cửu. Nghiên cứu về vi cấu trúc của chúng không chỉ giúp hiểu sâu sắc về tính chất từ mà còn mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Các Semantic LSI keywords như "NdFeB microstructure", "Nd-Fe-B magnets", "Tính chất từ của Nd-Fe-B" đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và độ ổn định của nam châm. Hiểu rõ về nguồn gốc từ tính, vật liệu từ và hạt từ là nền tảng cho việc nghiên cứu sâu hơn về Nd-Fe-B. Từ trường là môi trường vật chất sinh ra quanh điện tích chuyển động, và thành phần chính tạo ra từ trường trong vật liệu từ là spin của điện tử. Vật liệu sắt từ, thuận từ và nghịch từ được phân loại dựa trên độ cảm từ () của chúng. Vật liệu sắt từ có khả năng hưởng ứng mạnh với từ trường ngoài, với độ cảm từ  lớn. Năng lượng tương tác trao đổi đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành tính chất từ của vật liệu từ. Các Semantic LSI keywords như "Magnetic properties NdFeB", "Coercivity NdFeB", "Remanence NdFeB" là các thông số quan trọng để đánh giá chất lượng của nam châm Nd-Fe-B. Hạt từ tính có kích thước vài chục nm đến vài chục µm, bao gồm thành phần từ tính (Fe, Co, Ni) và các nguyên tố khác (O). Có nhiều phương pháp để tạo ra hạt từ, bao gồm phương pháp vật lý và hóa học. Nd-Fe-B là một hợp chất của Nd, Fe và B, có công thức hóa học phổ biến là Nd2Fe14B. Vật liệu này có khối lượng riêng là 7.55g/cm3, có dị hướng từ tinh thể K1 = 4. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là tính oxy hóa cao, giá thành đắt và sự suy giảm mạnh của lực kháng từ theo nhiệt độ. Nam châm Nd-Fe-B thường được chế tạo bằng kỹ thuật luyện kim bột và thiêu kết.

1.1. Nguồn Gốc Từ Tính Vai trò của Spin Điện Tử

Từ tính được coi là một hiệu ứng cơ học lượng tử thuần túy. Tính sắt từ phát sinh do có sự ảnh hưởng của spin điện tử và nguyên lý loại trừ Pauli. Điện tử có momen lưỡng cực từ và hoạt động như một nam châm nhỏ, tạo ra từ trường. Các vật liệu cấu thành từ các nguyên tử với lớp điện tử được điền đầy có tổng số lưỡng cực bằng 0. Chỉ các nguyên tử có lớp điện tử lấp đầy một phần mới có momen lưỡng cực từ. Năng lượng tương tác trao đổi đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên tính chất từ của vật liệu từ. Khi hai nguyên tử có các điện tử đơn lẻ đứng cạnh nhau, cho dù spin điện tử có song song hay đối song thì đều ảnh hưởng đến việc các điện tử có thể chia sẻ cùng một quỹ đạo, tạo ra tương tác trao đổi. Vật liệu trong đó tương tác trao đổi mạnh hơn nhiều so với tương tác lưỡng cực - lưỡng cực thì thường được gọi là vật liệu từ tính. Các Semantic LSI keywords như "Magnetic domain structure NdFeB", "Domain wall pinning NdFeB" mô tả các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu.

1.2. Vật Liệu Nd Fe B Thành Phần và Đặc Tính Cơ Bản

Vật liệu Nd-Fe-B là một hợp chất của Neodymium iron boron với công thức hóa học phổ biến là Nd2Fe14B. Vật liệu này có khối lượng riêng là 7.55g/cm3, có dị hướng từ tinh thể K1 = 4. Đây là vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu với năng lượng cao, nhưng có nhược điểm là tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), giá thành đắt (do chứa nhiều đất hiếm) và sự suy giảm mạnh của lực kháng từ theo nhiệt độ. Nam châm Nd-Fe-B có khả năng cho từ dư tại bề mặt lên tới 1.2 so sánh một số tính chất từ cứng điển hình của nam châm Nd-Fe-B với một số loại khác. Nam châm Nd-Fe-B thường được chế tạo bởi kỹ thuật luyện kim bột và thiêu kết, với các bước công nghệ chính như trên hình 1. Các Semantic LSI keywords như "Composition NdFeB", "NdFeB alloys" là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.

II. Thách Thức Chế Tạo Vi Cấu Trúc Nd Fe B và Giải Pháp Tiềm Năng

Việc chế tạo vi cấu trúc từ Nd-Fe-B đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt là về mặt kỹ thuật và chi phí. Các phương pháp truyền thống như phún xạ và quang khắc thường phức tạp và tốn kém. Tìm kiếm các phương pháp chế tạo nhanh hơn, ít tốn kém hơn là rất quan trọng. Gần đây, phương pháp in phun nổi lên như một giải pháp tiềm năng. Phương pháp này cho phép chế tạo các hệ vi cấu trúc từ với thời gian ngắn và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc chuẩn bị dung dịch mực in phù hợp vẫn là một thách thức. Các Semantic LSI keywords như "Powder metallurgy NdFeB", "Rapid solidification NdFeB", "Melt spinning NdFeB" liên quan đến các phương pháp chế tạo vật liệu Nd-Fe-B, nhưng không trực tiếp liên quan đến vi cấu trúc. Quan trọng hơn là "Vi cấu trúc vật liệu từ". Phương pháp phún xạ (sputtering) là một kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng, sử dụng các ion có năng lượng cao để bắn phá lên bề mặt các bia vật liệu rắn. Quang khắc là kỹ thuật được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và công nghệ vật liệu để tạo ra các chi tiết màng mỏng hoặc khối vật liệu đế với hình dạng và kích thước xác định. In phun (inkjet printing) là một quá trình lắng đọng, chuyển vật liệu cần chế tạo từ dạng trong pha lỏng lắng đọng lên trên một đế rắn.

2.1. Hạn Chế Của Phương Pháp Phún Xạ và Quang Khắc

Phương pháp phún xạ (sputtering) được dùng để chế tạo một số loại màng, với vật liệu thông dụng là kim loại, hợp kim và một số loại oxit. Kết hợp phương pháp này với các kỹ thuật tiểu hình hóa người ta có thể tạo ra được các cấu trúc vật liệu có hình dạng đặc biệt theo các kích thước khác nhau, thường ở dải µm. Ưu điểm của việc chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ là có độ ổn định và dễ lặp lại. Nhược điểm của phương pháp này đó là kích thước bia lớn nên giá thành cao, hiệu suất sử dụng bia thấp, khó kiểm soát được tốc độ nếu tạo màng mỏng, thành phần hóa học của màng sau chế tạo có thể khác với thành phần hợp thức của bia bốc bay. Quang khắc là kỹ thuật được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và công nghệ vật liệu để tạo ra các chi tiết màng mỏng hoặc khối vật liệu đế với hình dạng và kích thước xác định. Phương pháp này sử dụng bức xạ ánh sáng để làm biến tính các chất cảm quang phủ trên bề mặt đế từ đó tạo ra được các hình ảnh cần thiết. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép chế tạo các chi tiết nhỏ cỡ micromet với hình dạng theo ý muốn. Nhược điểm của phương pháp này là gồm nhiều bước thực hiện, phức tạp và tốn kém. Các Semantic LSI keywords như "High-performance magnets" có thể liên quan đến kết quả cuối cùng, nhưng không trực tiếp liên quan đến các phương pháp chế tạo này.

2.2. Ưu Điểm và Thách Thức Của Kỹ Thuật In Phun Nd Fe B

In phun (inkjet printing) là một quá trình lắng đọng, chuyển vật liệu cần chế tạo từ dạng trong pha lỏng lắng đọng lên trên một đế rắn. Pha lỏng thường là các loại mực in bao gồm dung môi hòa tan và các hạt vật liệu cần chế tạo được hòa tan trong dung môi. Ưu điểm của phương pháp in phun đó là cho phép chế tạo các màng mỏng, các hệ vi cấu trúc với thời gian ngắn, ít tốn kém, và có thể chế tạo được các hệ vi cấu trúc với nhiều hình dạng phức tạp. Nhược điểm của phương pháp này đó là việc chế tạo dung dịch mực in theo yêu cầu thực tế còn gặp phải nhiều khó khăn. Trong phần thực nghiệm của luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày cụ thể hơn về cách thức chế tạo mực in và cách kiểm soát quá trình in phun.

III. Phương Pháp In Phun Chế Tạo Mực và Kiểm Soát Quá Trình

Việc chế tạo dung dịch in chứa hạt từ Nd-Fe-B là yếu tố then chốt trong phương pháp in phun. Quá trình này bao gồm nhiều bước, từ lựa chọn dung môi, điều chỉnh độ nhớt, đến kiểm soát sự phân tán của hạt từ. Khảo sát các tính chất của dung dịch in, như độ nhớt, độ pH và kích thước hạt, là rất quan trọng để đảm bảo quá trình in diễn ra suôn sẻ. Việc kiểm soát các thông số làm việc của thiết bị in, như nhiệt độ, điện áp và khoảng cách kim phun, cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của vi cấu trúc được tạo ra.

3.1. Chế Tạo Mực In Lựa Chọn Dung Môi và Hạt Từ Nd Fe B

Để dung dịch mực in có từ tính, thì các hạt từ Nd-Fe-B đã được trộn vào dung dịch mực chuẩn. Các hạt từ khi pha vào cần có kích thước trung bình nhỏ hơn 300nm, và cần được pha với tỉ lệ thích hợp để tránh làm tắc kim phun. Ngoài ra, dung dịch sau khi pha trộn thu được cần có các thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu của thiết bị in. Các hạt từ NdFeB ban đầu có phân bố kích thước hạt trong khoảng từ 500 nm tới 6 µm, với khoảng 75% các hạt có kích thước nằm trong khoảng từ 1 µm tới 3 µm (hình 3. Sau khi được nghiền trong 8 giờ, trong môi trường không có ô-xy, các hạt NdFeB có kích thước nhỏ hơn với phân bố kích thước hạt trong khoảng từ 70 nm tới 500 nm, khoảng 72% các hạt có kích thước dưới 300 nm (hình 3.

3.2. Kiểm Soát Thông Số Máy In Nhiệt Độ và Điện Áp

Quá trình khảo sát các thông số làm việc của thiết bị in như: nhiệt độ hộp mực, nhiệt độ đế, khoảng cách giữa kim phun và đế in, tốc độ phun, hiệu điện thế đặt vào kim phun,… cho thấy thiết bị in DMP-2831 có thể in các chi tiết có kích thước nhỏ nhất cỡ 50 µm với sai số nằm trong phạm vi cho phép, hình dạng chi tiết, khoảng cách giữa các chi tiết in đúng như thiết kế, chi tiết in có độ sắc nét và đồng đều cao. Do đó, các nghiên cứu chế tạo các vi cấu trúc từ bằng phương pháp in phun sử dụng thiết bị DMP-2831 trong quá trình thực hiện luận văn sẽ tập trung vào chế tạo các vi cấu trúc từ gồm các khung vuông và khung tròn lồng vào nhau có độ rộng lần lượt là 50 µm và 100 µm, khoảng cách giữa các khung cũng chia làm hai trường hợp là 50 µm và 100 µm.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Vi Cấu Trúc Vuông và Tròn Nd Fe B

Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo và khảo sát vi cấu trúc từ Nd-Fe-B có dạng khung vuông và khung tròn lồng vào nhau. Các Semantic LSI keywords như "Grain size NdFeB", "Grain boundary NdFeB" có thể ảnh hưởng đến tính chất từ của các cấu trúc. Các mẫu được chế tạo bằng phương pháp in phun, sau đó được khảo sát về kích thước, hình dạng, độ gồ ghề bề mặt và tính chất từ. Kết quả cho thấy có sự khác biệt về tính chất từ giữa các mẫu có hình dạng khác nhau. Mô phỏng từ trường bề mặt cũng được thực hiện để hiểu rõ hơn về sự phân bố từ trường trong các cấu trúc.

4.1. So Sánh Tính Chất Của Vi Cấu Trúc Vuông và Tròn

Các hệ mẫu tròn và vuông có cấu hình tương tự nhau nhưng kích thước khác nhau như được liệt kê trong bảng 3. Tất cả các mẫu chế tạo được sau đó được quan sát bề mặt, đo chiều dày bằng kính hiển vi quang học, khảo sát độ gồ ghề bề mặt và tính chất từ lần lượt bằng kính hiển vi lực nguyên tử và hệ từ kế mẫu rung với từ trường ngoài đặt vuông góc với bề mặt các vi cấu trúc từ.

4.2. Mô Phỏng Từ Trường Bề Mặt MacMMems và Ansys Maxwell

Để khảo sát biến thiên từ trường trên bề mặt của các mô hình vi nam châm thì chúng tôi đã tiến hành mô phỏng, tính toán dựa trên dữ liệu đầu vào của các vi cấu trúc từ qua phép đo từ tính. Cụ thể là: - Các hệ lớp vuông được mô phỏng trước bằng phần mềm MacMMems và có các kết quả bao gồm giá trị của Bz,dBz/dy và dBz/dz tại các độ cao (d) khác nhau (0 µm, 10 µm và 30 µm) trên bề mặt vi cấu trúc tại vị trí đường quét đi qua giữa tâm của hệ vuông. - Còn đối với các hệ lớp tròn thì do khả năng tính toán của phần mềm MacMMems không thể chia lưới để chạy mô phỏng được nên tôi đã chuyển sang thực hiện mô phỏng hệ tròn bằng phần mềm Ansys Maxwell.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng của Vi Cấu Trúc Nd Fe B Y Sinh và Công Nghiệp

Các vi cấu trúc Nd-Fe-B có nhiều ứng dụng tiềm năng, đặc biệt trong lĩnh vực y sinh và công nghiệp. Trong y sinh, chúng có thể được sử dụng để dẫn thuốc, tạo nhiệt cục bộ để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc tách tế bào. Trong công nghiệp, chúng có thể được sử dụng trong các cảm biến, động cơ nhỏ hoặc thiết bị lưu trữ dữ liệu. Việc tối ưu hóa tính chất từ và hình dạng của vi cấu trúc sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

5.1. Ứng Dụng Y Sinh Dẫn Thuốc và Điều Trị Ung Thư

Một số ứng dụng phổ biến của hạt từ như để dẫn dắt chuyển động của hạt từ (có thể gắn thuốc điều trị) bằng từ trường ngoài đến vị trí trong cơ thể cần điều trị, nhả thuốc để làm lành vết thương; để tạo ra sự đốt nóng địa phương để tiêu diệt các tế bào không lành tính; để kết hợp với các vật liệu khác dùng trong xử lý môi trường nước thải; … [9][10].

5.2. Ứng Dụng Công Nghiệp Cảm Biến và Động Cơ Nhỏ

Một số ứng dụng phổ biến của nam châm từ cứng Nd-Fe-B như: làm nam châm vĩnh cửu trong các ổ cứng các máy tính, các động cơ phát điện, các thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ, …; trong các linh kiện, cảm biến dùng trong ôtô, xe máy, thiết bị gia dụng, …; trong các nghiên cứu cơ bản, …

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Vi Cấu Trúc Từ

Nghiên cứu về vi cấu trúc Nd-Fe-B là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Phương pháp in phun mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, nhưng vẫn cần được tối ưu hóa. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện tính chất từ, kiểm soát kích thước và hình dạng của vi cấu trúc, và khám phá các ứng dụng mới. Các Semantic LSI keywords như "Aging NdFeB magnets", "Corrosion resistance NdFeB", "Heat treatment NdFeB" liên quan đến độ bền và ổn định của vật liệu, cần được xem xét trong các nghiên cứu tiếp theo.

6.1. Tối Ưu Hóa Tính Chất Từ của Vi Cấu Trúc Nd Fe B

Điều này có thể được giải thích là khi giọt mực khô thì các hạt Nd-Fe- B có xu hướng gần nhau hơn nên liên kết lại với nhau, sắp xếp cố định trên bề mặt giấy, do đó momen từ của chúng khó xoay theo chiều của từ trường ngoài hơn so với momen từ của các hạt Nd-Fe-B trong dung dịch từ. Cần nghiên cứu để cải thiện sự định hướng của các hạt từ.

6.2. Khám Phá Các Ứng Dụng Mới Trong Y Sinh

Việc tạo ra các vi cấu trúc từ có kích thước và hình dạng đặc biệt có thể mở ra các ứng dụng mới trong dẫn thuốc, chẩn đoán hình ảnh và các lĩnh vực khác trong y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu thì hiện đã có nhiều phương pháp để chế tạo các hệ vi nam châm, nhưng phương pháp điển hình được sử dụng nhiều trong thực tế đó là: phương pháp phún xạ kết hợp với phương pháp quang khắc, và gần đây là phương pháp in phun đang được quan tâm nghiên cứu. Do mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng và với mục đích chế tạo ra các hệ vi nam châm với thời gian ngắn, ít tốn kém và chính xác thì việc sử dụng phương pháp in phun là điều nên được quan tâm nghiên cứu và đưa vào thực tế. Để hiểu hơn về các phương pháp điển hình nêu trên dùng để chế tạo các hệ vi nam châm thì ở mục này tôi sẽ trình bày sơ lược về hai phương pháp phún xạ, phương pháp quang khắc. Đồng thời, trình bày chi tiết về phương pháp in phun để qua đó khi đi vào phần thực nghiệm thì chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về thiết bị, vật liệu in cũng như quy trình hoạt động của hệ thiết bị.

Phương pháp phún xạ Phương pháp phún xạ (sputtering) là một kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng, sử dụng các ion có năng lượng cao ( các ion thường dùng là Xe, Ar, Kr) để bắn phá lên bề mặt các bia vật liệu rắn, vật liệu từ bia sẽ được bốc bay ở dạng hơi nguyên tử, phân tử và ion (trạng thái plasma) sau đó sẽ được lắng đọng trên đế để tạo thành các lớp màng (xem hình 1. Các ion khí trơ sẽ được gia tốc trong điện trường (có thể là một chiều đối với bia là kim loại với điện áp đặt vào từ 3 – 5 kV, hoặc điện áp xoay chiều đối với bia là oxit với tần số 14 MHz), năng lượng của ion khí trơ phụ thuộc vào điện tích, mức độ gia tốc trong điện trường và khối lượng của ion khí trơ. Chỉ có một số loại khí trơ có thể đáp ứng được yêu cầu nêu trên và ảnh hưởng của các điện tử trong quá trình phún xạ là không đáng kể do có khối lượng nhỏ. Phương pháp phún xạ được dùng để chế tạo một số loại màng, với vật liệu thông dụng là kim loại, hợp kim và một số loại oxit.

Kết hợp phương pháp này với các kỹ thuật tiểu hình hóa người ta có thể tạo ra được các cấu trúc vật liệu có hình dạng đặc biệt theo các kích thước khác nhau, thường ở dải µm. 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Chế tạo màng mỏng bằn p ươn p p p ún xạ [4] Ưu điểm của việc chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ là có độ ổn định và dễ lặp lại. Nhược điểm của phương pháp này đó là kích thước bia lớn nên giá thành cao, hiệu suất sử dụng bia thấp, khó kiểm soát được tốc độ nếu tạo màng mỏng, thành phần hóa học của màng sau chế tạo có thể khác với thành phần hợp thức của bia bốc bay [4].

Phương pháp quang khắc Quang khắc là kỹ thuật được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và công nghệ vật liệu để tạo ra các chi tiết màng mỏng hoặc khối vật liệu đế với hình dạng và kích thước xác định. Phương pháp này sử dụng bức xạ ánh sáng để làm biến tính các chất cảm quang phủ trên bề mặt đế từ đó tạo ra được các hình ảnh cần thiết. Sơ đồ nguyên lý hệ quang khắc Như ta thấy trên hình 1.6 thì một hệ quang khắc thông thường bao gồm một nguồn phát tia UV, chùm tia UV này sẽ được khuếch đại sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask – là một màng chắn sáng được in lên đó các chi tiết cần tạo (được che 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] sáng – che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang để tạo ra hình ảnh của chi tiết trên phần cảm quang biến tính)). Chùm tia UV sau đó được hội tụ bởi một hệ thấu kính lên trên bề mặt đế đã phủ chất cảm quang.

Kỹ thuật liff-off b. Kỹ thuật ăn mòn Hình 1. C c p ươn p p tạo chi tiết trong quang khắc.7 biểu diễn các kỹ thuật quang khắc liff-off và ăn mòn. Quá trình quang khắc thường được chia làm một số bước như sau : - Trước tiên bề mặt của đế cần chế tạo sẽ được xử lý bề mặt hay làm sạch để loại bỏ các chất vô cơ hoặc hữu cơ bám trên bề mặt, phương thức làm sạch ở đây thường là phương thức hóa học ướt, một ví dụ làm sạch điển hình đó là làm sạch theo quy trình RCA dựa trên các dung dịch có chứa hydrogen peroxide (H2O2) hoặc cũng có thể làm sạch bằng cồn hoặc methanol [11].

- Tiếp theo, đế sẽ được sấy ở 150oC trong vòng 10 phút để làm giảm bớt độ ẩm trên bề mặt đế. Đồng thời một chất lỏng hoặc khí chẳng hạn như Bis (trimethylsilyl ) amin (hexamethyldisilazane – HMDS [(CH3)3Si]2NH ) được sử dụng để tăng độ kết dính giữa chất cảm quang và bề mặt đế. Lớp SiO2 trên đế sẽ phản ứng với HMDS để tạo ra silic dioxide tri-methyl, đây là một lớp có khả năng chống thấm nước cao ngăn không cho nước thâm nhập vào giữa lớp photoresist và bề mặt đế. Để đảm bảo quá trình tạo ảnh tốt nhất thì đế cần được che phủ và để ở trên một tấm gia nhiệt ở nhiệt độ 120oC [12].

- Sau đó, sẽ được phủ một lớp hợp chất hữu cơ được gọi là chất cảm quang (photoresist), có tính nhạy quang (tính chất sẽ bị thay đổi khi được chiếu bởi 12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] các bức xạ phù hợp) và bền trong môi trường kiềm hay axit. Chất cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết cần chế tạo không bị ăn mòn dưới tác dụng của quá trình ăn mòn. Chất cản quang thường được phủ lên bề mặt đế bởi quá trình quay phủ (spin-coating). Thông thường chất cảm quang được chia làm hai loại là cảm quang dương (bản chất của chất cảm quang dương là polime sau khi bị tác động của tia UV sẽ bị biến tính thành các monome và sẽ bị rửa trôi bởi các dung dịch ăn mòn) và cảm quang âm ( ngược lại với cảm quang dương thì cảm quang âm lại bản chất là các monome sau khi bị tác động của tia UV sẽ bị biến tính thành polime và sẽ không bị rửa trôi bởi các dung dịch ăn mòn).

- Sau quá trình phủ photoresist sẽ là quá trình chiếu tia UV để làm biến tính các phần chi tiết cần chế tạọ. - Tiếp theo, một hợp chất hóa học gọi là developer thường sử dụng như tetramethylammonium hydroxide (TMAH - N(CH3)4+ OH−) sẽ được phủ lên đế cũng bởi phương pháp spin-coating và đế lúc này được sấy cứng ở nhiệt độ khoảng từ 120oC – 180oC trong vòng 20 – 30 phút để khiến lớp phủ trở nên bền trong quá trình ăn mòn ướt (etching). - Sau quá trình tạo ảnh (deverloping) là quá trình ăn mòn. Trong khi ăn mòn thì sẽ có một hóa chất được sử dụng để loại bỏ lớp trên cùng của đế tại những vị trí mà không được lớp cảm quang bảo vệ.

- Sau cùng là loại bỏ chất cảm quang để thu được chi tiết theo yêu cầu. Hóa chất thường được sử dụng để loại bỏ chất cảm quang trong ăn mòn ướt đó là 1- Methyl-2-pyrrolidone (NMP- C5H9NO) [12]. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép chế tạo các chi tiết nhỏ cỡ micromet với hình dạng theo ý muốn. Nhược điểm của phương pháp này là gồm nhiều bước thực hiện, phức tạp và tốn kém.

Phương pháp in phun In phun (inkjet printing) là một quá trình lắng đọng, chuyển vật liệu cần chế tạo từ dạng trong pha lỏng lắng đọng lên trên một đế rắn. Pha lỏng thường là các loại mực in bao gồm dung môi hòa tan và các hạt vật liệu cần chế tạo được hòa tan trong dung môi. Dung dịch in được chứa trong hộp mực in, đặt trong buồng phun. Từ một vòi 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] phun thì giọt mực sẽ được phun ra một cách đột ngột thông qua sự thay đổi thể tích của buồng phun gây bởi hiệu ứng áp điện do sự điều chỉnh của một hiệu điện thế bên ngoài.

Khi các giọt mực phun ra, dưới dụng của trọng lực và sức cản của không khí, chúng sẽ được in lên đế. Sự lan ra của giọt mực gây ra bởi momen quán tính của nó và sức căng bề mặt dọc theo bề mặt đế. Giọt mực được in ra sau đó sẽ bị khô đi do có sự bốc bay của dung dịch (xem hình 1. Sự lan ra của giọt mực và hình dạng cuối cùng của giọt mực bị ảnh hưởng lớn bởi độ nhớt mực in.

Quy trình chế tạo vi cấu trúc bằn p ươn p p n p un Đã có những nghiên cứu chỉ ra sự tác động của xung điện lên thời gian tạo ra giọt mực, hình thái học của giọt mực, độ nhớt, và kích thước của giọt mực. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các giọt mực nhớt hơn có hiệu điện thế để bắt đầu phun ra cao hơn, nên tạo ra cột chất lỏng cao hơn và các giọt nhỏ hơn. Bên dưới là hình ảnh mô tả quá trình bốc bay dung dịch của giọt mực sau khi in ra (hình 1. Quá trình khô của giọt mực sau k được in phun (Mũ tên m u xan c ỉ sự bốc bay của dung dịc mũ tên m u đen c ỉ dòn đố lưu ướn ra n o mũ tên đỏ chỉ dòng ướng vào trong) 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Quá trình khô của giọt mực sẽ bị ảnh hưởng bởi độ nhớt của mực, độ linh động của chất tan thông qua chuyển động của dung môi.

Chuyển động của chất tan lúc này bị ảnh hưởng bởi tương tác sức căng bề mặt của dung môi và đế. Kết quả là sẽ gây nên hiệu ứng Coffee-ring, tức là giọt mực sau khi khô sẽ có hình vòng tròn [13]. Ưu điểm của phương pháp in phun đó là cho phép chế tạo các màng mỏng, các hệ vi cấu trúc với thời gian ngắn, ít tốn kém, và có thể chế tạo được các hệ vi cấu trúc với nhiều hình dạng phức tạp. Nhược điểm của phương pháp này đó là việc chế tạo dung dịch mực in theo yêu cầu thực tế còn gặp phải nhiều khó khăn.

Trong phần thực nghiệm của luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày cụ thể hơn về cách thức chế tạo mực in và cách kiểm soát quá trình in phun. 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.