Nghiên cứu từ trường bề mặt của vật liệu từ cứng cấu trúc micro-nano

v

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2
1.1 Từ trường và các đại lượng đặc trưng cho từ trường 2
1.1.1 Từ trường 2
1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường 2
1.2 Hiện tượng từ trễ 5
1.3 Dị hướng từ 6
1.3.1 Dị hướng từ tinh thể 7
1.3.2 Dị hướng ứng suất 8
1.3.3 Dị hướng hính dạng 9
1.4 Cấu trúc từ 10
1.5 Vật liệu từ cứng 13
1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng 14
1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng 15
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18
2.1 Chuẩn bị màng mỏng từ cứng cấu trúc micro 18
2.2 Mô phỏng từ trường bề mặt 18
2.2.1 Mô hính lý thuyết 18
2.2.2 Phương pháp mô phỏng 19
2.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu 21
2.3.1 Đặc điểm của tế bào hồng cầu 21
2.3.2 Mô hính lý thuyết 22
2.3.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu. 23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25
3.1 Ảnh hưởng của số lượng nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt 25

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của kìch thước nam châm lên sự phân bố của từ trường
bề mặt 33


vi

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày nam châm lên sự phân bố của từ trường
bề mặt 36
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách giữa các nam châm lên sự phân bố của
từ trường bề mặt 39
3.5 Quan sát hính ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ 43
KẾT LUẬN 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 a) Từ trường của một nam châm hình trụ, b) Từ trường của một hạt
điện tích chuyển động. 2
Hình 1.2 Chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của một điện tử. 2
Hình 1.3 Hình ảnh từ trường của dòng điện thẳng. 3
Hình 1.4 Hình ảnh từ trường của dòng điện tròn. 3
Hình 1.5 Hình ảnh từ trường của cuộn solenoid. 4
Hình 1.6 Cách xác định véc tơ cảm ứng từ. 4
Hình 1.7 Trường khử từ H
d
của mẫu bị từ hóa. 5
Hình 1.8 Đường cong từ trễ M(H) của vật liệu sắt từ với lực kháng từ H
C
6
độ từ dư M
r
, từ độ bão hòa M
S
. 6
Hình 1.9 Ví dụ về dị hướng từ tinh thể trong tinh thể ôxit sắt Fe
3
O
4

. 7
Hình 1.10 a) Mômen từ (M) của vật liệu thay đổi dưới ảnh hưởng của ứng suất,
b) vật liệu thay đổi hình dạng dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài (H). 8
Hình 1.11 a) Từ độ bên trong một tinh thể sắt từ, b) Các đường sức cảm ứng từ
của vật liệu, c) Trường khử từ phía bên trong vật liệu ngược với chiều của từ độ,
d) Các cực từ của tinh thể hình cầu, e) Cực từ của một tinh thể elip tròn xoay
với từ độ song song với trục dài, f) Chiều của trường khử từ khi phương của từ
độ tạo với trục a của tinh thể elipsoit một góc θ. 9
Hình 1.12 Sự sắp xếp của các spin trong các cấu trúc từ. 10
Hình 1.13 Cấu trúc GMR. 11
Hình 1.14 Cấu trúc TMR. 11
Hình 1.15 Cấu trúc Spin – van. 12
Hình 1.16 Ma trận của bộ nhớ MRAM. 12
Hình 1.17 Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy
các bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân
tử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến (trong trường hợp này là các
phân tử DNA đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi DNA) và các
hạt từ có thể được liên kết với bề mặt cảm biến thông qua việc lai hóa. 13
Hình 1.18 Tổ hợp của các nam châm từ. 13
Hình 1.19 Sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên phương diện thể tích. 14


viii

Hình 1.20 Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. 15
Hình 2.1 Hình ảnh màng mỏng sử dụng (a) phương pháp hình thái học, (b)
phương pháp từ nhiệt. 18
Hình 2.2 Hình ảnh của chương trình MacMMems. 20
Hình 2.3 Hình ảnh chương trình Calculator. 20
Hình 2.4 Hình ảnh tế bào hồng cầu. 22

Hình 2.5 Ống nghiệm chứa tế bào hồng cầu. 24
Hình 3.1 a) Mô hình 1 nam châm, b) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam
châm khảo sát dọc theo đường màu đen, c) hình ảnh từ trường bề mặt của một
nam châm khảo sát dọc theo đường màu đỏ. 25
Hình 3.2 a) Mô hình 2 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 2 nam
châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. 27
Hình 3.3 a) Mô hình 3 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 3 nam
châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. 28
Hình 3.4 a) Mô hình 4 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 4 nam
châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau,
c)hình ảnh từ trường của mô hình 4 nam châm được khảo sát dọc theo đường
màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. 30
Hình 3.5 a) Mô hình 6 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 6 nam
châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau,
c)hình ảnh từ trường của mô hình 6 nam châm được khảo sát dọc theo đường
màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. 31
Hình 3.6 a) Mô hình 9 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam
châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)
hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu
xanh tại khoảng cách d khác nhau. 32
Hình 3.7 Hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo
đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. 33
Hình 3.8 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm, kích thước 20×20
µm
2
được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau, b) kích
thước 30×30 µm
2
, c) kích thước 50×50 µm
2

, d) kích thước 100×100 µm
2
. 34


ix

Hình 3.9 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 10×10
µm
2
, chiều dày h = 6 µm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách
d khác nhau, b) h = 10 µm, c) h = 15 µm. 37
Hình 3.10 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 50×50
µm
2
, chiều dày h = 10 µm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng
cách d khác nhau, b) chiều dày h = 30 µm, c) chiều dày h = 50 µm. 38
Hình 3.11 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm
2
,khoảng cách giữa
các nam châm là g = 1µm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được
khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ
trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại
khoảng cách d khác nhau. 40
Hình 3.12 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm
2
,khoảng cách giữa
các nam châm là g = 5µm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được
khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ
trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại

khoảng cách d khác nhau. 41
Hình 3.13 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm
2
,khoảng cách giữa
các nam châm là g = 15µm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm
được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh
từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại
khoảng cách d khác nhau. 42
Hình 3.14 Sự phân bố của tế bào hồng cầu trên mảng vi nam châm. 44


1

MỞ ĐẦU
Từ tình là một thuộc tình của vật liệu. Nhín chung các chất, ở mọi trạng
thái, dù ìt hay nhiều đều biểu hiện tình chất từ. Vật liệu có thể có tình chất sắt từ
mạnh như các nam châm từ cứng đất hiếm - kim loại chuyển tiếp, cũng có thể có
tình nghịch từ yếu như các phân tử sinh học. Việc nghiên cứu tình chất từ của
vật liệu bằng phương pháp mô phỏng đang thu hút sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu ví phương pháp này rất đơn giản, cho kết quả nhanh và chình xác,
qua đó có thể cho phép tiết kiệm về mặt thời gian thao tác cũng như chi phì thực
hiện quá trính nghiên cứu.
Các vật liệu từ có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học kỹ thuật và
cuộc sống. Một trong các hiệu ứng được quan tâm nghiên cứu đó là khả năng
giữ các phần tử kìch thước nhỏ và có tình nghịch từ nhờ sự phân bố của từ
trường không đồng nhất trên bề mặt của các cấu trúc sắt từ. Bằng việc sử dụng
các cấu trúc từ có kìch thước phù hợp, chúng ta có thể lưu giữ được các phần tử
sinh học mà không cần sử dụng đến quá trính chức năng hóa bề mặt vật liệu
dùng để bắt giữ các phần tử sinh học cần nghiên cứu.
Luận văn này được thực hiện với mục đìch khảo sát sự phân bố của từ

trường trên bề mặt các nam châm từ cứng NdFeB có cấu trúc micro-nano bằng
cách sử dụng phần mềm mô phỏng. Ảnh hưởng của các thông số như số lượng
nam châm, kìch thước nam châm, chiều dày nam châm và khoảng cách giữa các
nam châm sẽ được nghiên cứu một cách hệ thống. Bên cạnh đó luận văn cũng đã
thử nghiệm việc bắt giữ phần tử sinh học bằng cách sử dụng các vi nam châm
NdFeB. Trong luận văn này phần tử sinh học bị bắt giữ là tế bào hồng cầu.











2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Từ trường và các đại lượng đặc trưng cho từ trường
1.1.1 Từ trường
Từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tìch
chuyển động và chỉ tác dụng lực từ lên điện tìch chuyển động trong nó.

(a)

(b)
Hình 1.1 a) Từ trường của một nam châm hình trụ, b) Từ trường của một hạt
điện tích chuyển động.

Từ trường có thể được tạo ra bằng hai cách: sử dụng các cuộn dây có
dòng điện chạy trong dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu. Trong các nam châm
vĩnh cửu không có các dòng điện theo nghĩa thông thường mà chỉ có chuyển
động quĩ đạo và chuyển động spin của điện tử. Đó là nguồn gốc cơ bản của hiện
tượng từ trong vật liệu [3].

Hình 1.2 Chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của một điện tử.
1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường
 Cường độ từ trường H
Cường độ từ trường là một đại lượng véctơ, đặc trưng cho độ mạnh yếu
của từ trường.


3

- Trong chân không:
o
B
H


[A/m] (1.1)
với µ
o
= 4π.10
-7
[H/m] là độ từ thẩm trong chân không.
- Đối với các vật liệu từ:

B

H 
[A/m] (1.2)
với
 

 1
o
là độ từ thẩm và χ = M/H là hệ số từ hóa.
Trong hệ đơn vị SI, đơn vị cường độ từ trường là Ampe/met (A/m)
Có thể liệt kê biểu thức xác định từ trường H của một số dòng điện có
dạng đơn giản như sau:
- Từ trường của dòng điện thẳng:


u
r
I
H
2

[A/m] (1.3)
Trong đó I là cường độ dòng điện, r là khoảng cách tình từ dây dẫn và u
ө
là véc
tơ đơn vị tiếp tuyến với đường tròn bán kình r [3].

Hình 1.3 Hình ảnh từ trường của dòng điện thẳng.
- Từ trường tại tâm dòng điện tròn bán kình r:
z
u

r
I
H
2

[A/m] (1.4)
Với u
z
là pháp tuyến đơn vị của mặt phẳng của vòng dây [3].


Hình 1.4 Hình ảnh từ trường của dòng điện tròn.


4

- Từ trường tại tâm của một cuộn solenoid với chiều dài l và số vòng dây N:
z
Iu
l
N
H 
[A/m] (1.5)
ở đây u
z
là véc tơ đơn vị hướng dọc theo trục của cuộn dây [3].

Hình 1.5 Hình ảnh từ trường của cuộn solenoid.
 Cảm ứng từ B
Cảm ứng từ B là đại lượng véctơ, đặc trưng cho từ trường về phương diện

tác dụng lực.

Hình 1.6 Cách xác định véc tơ cảm ứng từ.
Cảm ứng từ được xác định bằng công thức:

sinIl
F
B
[T] (1.6)
Với I là cường độ dòng điện tác dụng lên dây dẫn, l là chiều dài dây dẫn, F là
lực từ tác dụng lên dây dẫn và α là góc hợp bởi véc tơ cảm ứng từ và dây dẫn.
Đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (T)
 Từ độ M
Từ độ hay độ từ hóa là một đại lượng véctơ, được xác định bằng tổng các
mômen từ trên một đơn vị thể tìch.
Công thức xác định từ độ:
dv
dm
M 
[A/m] (1.7)
Với dm là mômen từ tổng cộng của vật liệu, dv là yếu tố thể tìch của vật liệu.
Đơn vị của từ độ là A/m.


5

 Trường khử từ
Trường khử từ là trường xuất hiện trong vật có từ tình, và có xu hướng
khử từ vật liệu. Cường độ trường khử từ H
d

ngược chiều với từ trường từ hóa do
sự xuất hiện các từ cực trên mặt ngoài của vật gây ra. Trường khử từ chống lại
quá trính từ hóa, nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực và diện tìch bề mặt
của các cực.

Hình 1.7 Trường khử từ H
d
của mẫu bị từ hóa.
Đối với một khối chữ nhật như trên hính 1.7, khi véctơ M hướng dọc theo
chiều dài. Trường khử từ có thể được xác định bằng công thức:
H
d
= -NM (1.8)
Dấu (-) chỉ hướng ngược nhau của H
d
và M, N là hệ số trường khử từ, N
phụ thuộc vào hính dạng của mẫu và phương đo.
1.2 Hiện tượng từ trễ
Từ trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trính
từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tình của các vật liệu
sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất
sắt từ [8].
Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (từ độ - từ
trường M(H), hay cảm ứng từ - từ trường B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ
hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay
lại theo chiều ngược, thí nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa,
mà đi theo đường khác [8]. Và nếu ta đảo từ theo một chu trính kìn (thay đổi từ
trường ngoài theo hướng ngược lại), thí ta sẽ có một đường cong kìn gọi là
đường cong từ trễ hay chu trính từ trễ (xem hính 1.8). Tình chất từ trễ là một
tình chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả

năng từ tình của của các chất sắt từ.


6


Hình 1.8 Đường cong từ trễ M(H) của vật liệu sắt từ với lực kháng từ H
C

độ từ dư M
r
, từ độ bão hòa M
S
.
Trên đường cong từ trễ, ta sẽ xác định được các đại lượng đặc trưng của
chất sắt từ như:
- Từ độ bão hòa (M
S
): Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa từ, có
nghĩa là tất cả các mômen từ của chất sắt từ song song với nhau.
- Từ dư (M
r
hay B
r
): Là giá trị từ độ khi từ trường được khử về 0.
- Lực kháng từ (H
C
): Là từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của
mẫu về 0, hay là giá trị để từ độ đổi chiều. Đôi khi lực kháng từ còn được gọi
là trường đảo từ.

- Từ thẩm (μ): Là một tham số đặc trưng cho khả năng phản ứng của các
chất từ tình dưới tác dụng của từ trường ngoài. Từ thẩm của các chất sắt từ có
giá trị lớn hơn 1 rất nhiều, và phụ thuộc vào từ trường ngoài.
Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng từ trễ là sự tương tác giữa các
mômen từ có tác dụng ngăn cản chúng quay theo từ trường ngoài. Có nhiều cơ
chế khác nhau tạo nên hiện tượng từ trễ cũng như các dạng đường cong từ trễ
khác nhau: cơ chế quay các mômen từ, cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen, cơ
chế hãm sự phát triển của mầm đảo từ.
1.3 Dị hướng từ
Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có xu hướng định hướng theo
một phương ưu tiên nào đó của tinh thể, tạo nên khả năng từ hóa khác nhau theo
các phương khác nhau của tinh thể, đó là tình dị hướng từ [3].
Mỗi tinh thể có một hướng nào đó mà độ từ hóa luôn có xu hướng định
hướng theo phương đó, và theo hướng đó, quá trính từ hóa sẽ diễn ra dễ nhất gọi


7

là trục từ hóa dễ. Và khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90
o
so với trục từ hóa dễ)
thí quá trính từ hóa sẽ khó hơn, và sẽ rất khó đạt trạng thái bão hòa, trục đó gọi
là trục từ hóa khó.
Dị hướng từ phụ thuộc vào năng lượng nội tại của hệ tại một hướng nhất
định nào đó của từ độ tự phát. Năng lượng đó được gọi là năng lượng dị hướng
từ. Nếu dị hướng từ gây ra bởi tình đối xứng trong cấu trúc tinh thể của vật liệu
thí được gọi là dị hướng từ tinh thể. Bên cạnh nguồn gốc do tình đối xứng tinh
thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất hay do hính dạng
của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau [4].
1.3.1 Dị hướng từ tinh thể

Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tình có nguồn
gốc liên quan đến tình đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ. Dị
hướng từ tinh thể là một đặc điểm nội tại của vật liệu sắt từ, nó phụ thuộc nhiều
vào kìch thước và hính dạng của vật liệu. Nó có thể dễ dàng được nhận ra khi ta
tiến hành khảo sát đường cong từ hóa theo các hướng tinh thể khác nhau. Dị
hướng từ ảnh hưởng mạnh đến hính dạng của đường cong từ trễ, cũng như sẽ
quyết định đến giá trị lực kháng từ H
C
và độ từ dư M
r
[4].

Hình 1.9 Ví dụ về dị hướng từ tinh thể trong tinh thể ôxit sắt Fe
3
O
4
.
Hính 1.9 minh họa đường cong từ hóa ban đầu của vật liệu ôxit sắt Fe
3
O
4
.
Tùy thuộc vào sự định hướng tinh thể của mẫu trong từ trường, mà từ độ sẽ bão
hòa ở những giá trị từ trường khác nhau. Ở khoảng 130
o
K, trục <111> là phương
từ hóa dễ, <100> là phương từ hóa khó, còn <110> là phương trung gian chuyển


8

tiếp giữa hai trạng thái. Với vật liệu ôxit sắt Fe
3
O
4
hính cầu sẽ có 6 hướng dễ từ
hóa tương đương với 3 trục <111> [24].
1.3.2 Dị hướng ứng suất
Ngoài sự đóng góp của dị hướng từ tinh thể, còn có sự đóng góp đáng kể
khác của dị hướng từ ứng suất. Dị hướng ứng suất thường được thấy trong các
vật liệu từ giảo. Hiện tượng từ giảo là hiện tượng hính dạng, kìch thước của vật
liệu từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng cả từ trường ngoài. Bản chất
của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vật
liệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có
dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh [1]. Dưới tác dụng của từ
trường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo
sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ giảo
được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ và
điện tìch của môi trường.

Hình 1.10 a) Mômen từ (M) của vật liệu thay đổi dưới ảnh hưởng của ứng suất,
b) vật liệu thay đổi hình dạng dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài (H).
Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạo
bằng 0), tất cả các vị trì của các iôn lân cận đều tương đương đối với sự phân bố
điện tử. Khi có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy có quay đi,
nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng
cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên không dẫn đến sự thay đổi về kìch thước
cũng như hính dạng mẫu. Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (có
nghĩa là mômen quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trì phân bố xung quanh không
còn tình chất đối xứng, sự quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đến

sự thay đổi đám mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kìch thước cũng như
hính dạng mẫu. Hay nói một cách đơn giản, từ giảo phản ánh tình chất đối xứng
của mạng tinh thể [4].


9

Ngược lại, khi tác dụng làm thay đổi hính dạng hoặc kìch thước của vật
liệu từ thí tình chất từ của vật liệu cũng thay đổi (hiện tượng từ đảo ngược). Sự
kéo căng theo một trục nào đó của vật liệu sẽ tạo ra duy nhất môt phương dễ từ
hóa nếu ứng suất đủ lớn để vượt qua các trục từ hóa khác.
1.3.3 Dị hướng hình dạng
Dị hướng hính dạng phụ thuộc vào kìch thước và hính dạng của mẫu. Dị
hướng hính dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau về
mặt năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt
từ. Hính dạng mẫu sẽ quyết định các cực từ tự do. Do tương tác giữa các cực từ,
sẽ xuất hiện một trường khử từ ngược với chiều từ hóa, chống lại sự từ hóa. Do
đó, mômen từ sẽ có xu hướng định hướng theo trục có năng lượng từ hóa nhỏ
nhất của vật liệu [4].

Hình 1.11 a) Từ độ bên trong một tinh thể sắt từ, b) Các đường sức cảm ứng từ
của vật liệu, c) Trường khử từ phía bên trong vật liệu ngược với chiều của từ độ,
d) Các cực từ của tinh thể hình cầu, e) Cực từ của một tinh thể elip tròn xoay
với từ độ song song với trục dài, f) Chiều của trường khử từ khi phương của từ
độ tạo với trục a của tinh thể elipsoit một góc θ.
Hính 1.11a mô tả hướng các véc tơ từ độ bên trong tinh thể sắt từ. Nó làm
xuất hiện một từ trường ngoài tinh thể tỉ lệ với mô men từ. Trường ngoài này là
một trường hoàn toàn đồng nhất được tạo nên từ các cực tự do phân bố phìa bên
ngoài bề mặt của tinh thể (hính 1.11b). Các cực bề mặt không chỉ tạo ra các
trường ngoài, mà chúng còn làm xuất hiện một trường nội tại phìa trong tinh thể

(hính 1.11c). Trường nội này được gọi là trường khử từ (H
d
). Cường độ trường
khử từ trước hết tỉ lệ với từ độ của vật liệu. Thêm vào đó, nó còn phụ thuộc vào
khoảng cách giữa các cực và diện tìch bề mặt các cực. Vì dụ, đối với một khối
chữ nhật, véc tơ M hướng dọc theo chiều dài, hai cực khá xa nhau nên H
d
sẽ rất
nhỏ, ngược lại khi từ độ hướng vuông góc, hai cực gần nhau nên H
d


sẽ rất lớn.


10

1.4 Cấu trúc từ
 Ở cấp độ nguyên tử, phân tử: cấu trúc từ liên quan đến sự sắp xếp có trật
tự của các spin từ trong mạng tinh thể.

Cấu trúc thuận từ

Cấu trúc sắt từ

Cấu trúc phản sắt từ

Cấu trúc feri từ
Hình 1.12 Sự sắp xếp của các spin trong các cấu trúc từ.
Trong cấu trúc thuận từ, các spin định hướng một cách hỗn loạn do tác

dụng nhiệt (hính 1.12), khi đặt vào từ trường ngoài H ≠ 0 thí các spin này sẽ
định hướng theo từ trường.
Cấu trúc sắt từ tương đối đơn giản, tất cả các spin đều hướng theo cùng
một hướng khi ở nhiệt độ rất thấp T < T
C
(T
C
là nhiệt độ Curie), ở nhiệt độ cao
hơn T > T
C
các spin nay sẽ định hướng một cách hỗn loạn bất chấp trật tự từ .
Đối với cấu trúc phản sắt từ, các spin có trật tự phản song song và phụ
thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ T < T
N
(T
N
là nhiệt độ Neel) từ độ tổng cộng bằng
0. Ở nhiệt độ T > T
N
các spin lại sắp xếp một cách hỗn loạn như cấu trúc thuận
từ.
Cấu trúc feri từ các spin có độ lớn khác nhau được sắp xếp phản song
song với nhau làm cho từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằng
không khi T < T
C
. Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát. Tại nhiệt độ T
> T
C
trật tự từ bị phá vỡ, cấu trúc feri từ trở thàng cấu trúc thuận từ.
 Ở cấp độ màng mỏng: cấu trúc từ là tổ hợp hai hay nhiều lớp vật liệu từ

khác nhau sắp xếp xen kẽ nhau hoặc bị ngăn cách bởi lớp vật liệu phi từ.
 Cấu trúc GMR (Giant magnetoresistance)
Cấu trúc GMR gồm 3 lớp, hai lớp sắt từ (lớp từ cứng và lớp từ mềm)
được kẹp giữa bởi lớp phi từ (hính 1.13). Trong cấu trúc này các spin của lớp sắt
từ thứ nhất sẽ tán xạ qua lớp kẹp phi từ để trở thành spin của lớp sắt từ thứ hai.
Khi không có từ trường ngoài thí spin của hai lớp sắt từ ngược chiều nhau, còn
khi có từ trường ngoài spin của hai lớp sắt từ sẽ cùng chiều với nhau.


11


Hình 1.13 Cấu trúc GMR.
 Cấu trúc TMR (Tunneling magnetoresistance)
Cấu trúc TMR gồm 3 lớp, hai lớp sắt từ (lớp từ cứng và lớp từ mềm) được
kẹp giữa bởi lớp điện môi (lớp cách điện) (hính 1.14). Khi chiều dày lớp điện
môi đủ mỏng thí các spin của lớp sắt từ thứ nhất sẽ xuyên qua rào thế của lớp
điện môi, tán xạ qua lớp điện môi để trở thành spin của lớp sắt từ thứ hai.

Hình 1.14 Cấu trúc TMR.
 Cấu trúc Spin-van
Các màng mỏng có cấu trúc van spin có bốn lớp chình: bên dưới là lớp
màng mỏng vật liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrM), bên trên lớp
này là lớp sắt từ đầu tiên (lớp từ cứng) có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên
có từ độ bị giữ theo một hướng (gọi là lớp ghim), phìa trên là lớp phi từ (hoặc
lớp điện môi), phìa trên cùng là lớp sắt từ không bị ghim (lớp từ mềm) có thể
quay tự do theo từ trường [14]. Trong các màng mỏng này có thể có các hiệu
ứng từ trở khổng lồ do tán xạ spin của hai lớp sắt từ qua lớp phi từ, từ trở dị
hướng và Hall phẳng do tương tác spin - quỹ đạo trong các lớp sắt từ. Màng
mỏng này có thể ứng dụng chế tạo các máy cảm biến từ trở khổng lồ, từ trở dị

hướng hoặc máy cảm biến Hall phẳng.
Khi đặt từ trường ngoài nhỏ chỉ có từ độ của lớp sắt từ tự do bị quay theo
từ trường ngoài do đó hiệu ứng từ điện trở hầu như chỉ phụ thuộc vào từ độ lớp
sắt từ tự do ở vùng từ trường thấp. Từ độ của lớp ghim bên dưới chỉ quay đi khi
có từ trường ngoài đủ lớn để thắng trường tương tác trao đổi giữa lớp sắt từ
ghim và lớp phản sắt từ.


12


Hình 1.15 Cấu trúc Spin – van.
 Cấu trúc từ dạng dãy chuỗi
Cấu trúc từ dạng chuỗi là sự tổ hợp có hệ thống của rất nhiều các cấu trúc
từ, các sensor, để tạo thành một sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thực
tế. Sự ra đời của các cấu trúc dạng chuỗi cho phép các phép đo, các thì nghiệm
được tiến hành với tốc độ nhanh hơn và độ chình xác cao hơn [2]. Vì dụ bộ nhớ
MRAM (Magnetic Ramdom Access Memories) được thiết kế và chế tạo sử dụng
vật liệu từ đang được quan tâm và có triển vọng phát triển nhờ các đặc tình tuyệt
vời như: không tự xóa, duy trí thông tin tốt, số lần ghi, đọc thông tin cao (hính
1.16). Một sản phẩm của câu trúc dạng chuỗi nữa là các cảm biến sinh học được
phát triển bởi nhóm nghiên cứu của R.L. Edelstein và các đồng nghiệp ở
Washington, Mỹ (hính 1.17) [17], cho phép chúng ta thực hiện các phép phân
tìch, chuẩn đoán DNA chỉ trong vòng từ 5 đến 10 phút trong khi đó các phương
pháp cổ điển cần tới 3 đến 12 tiếng. Ngoài ra các cấu trúc dạng chuỗi còn có ưu
điểm là gọn nhẹ, dễ tìch hợp, độ phân giải lớn, … nên chúng có khả năng cạnh
tranh trong việc phân tìch số lượng, tìn hiệu nhỏ.

Hình 1.16 Ma trận của bộ nhớ MRAM.

13


Hình 1.17 Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy
các bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân
tử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến (trong trường hợp này là các
phân tử DNA đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi DNA) và các
hạt từ có thể được liên kết với bề mặt cảm biến thông qua việc lai hóa.
Trong luận văn này chúng tôi nghiên cứu một cấu trúc từ dạng chuỗi đơn
giản chỉ là tổ hợp của các nam châm từ kìch thước micro (hính 1.18). Các nam
châm được sắp xếp theo một trật tự nhất định và công việc của chúng tôi là khảo
sát từ trường trên bề mặt của nam châm.

Hình 1.18 Tổ hợp của các nam châm từ.
1.5 Vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của
tình từ “cứng” ở đây chình là thuộc tình khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không
xuất phát từ tình chất cơ học của vật liệu từ [9].
Vật liệu từ cứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại. Tùy
thuộc vào loại vật liệu từ có thể chia vật liệu từ cứng thành hai loại là: vật liệu


14

truyền thống (thép, nam châm AlNiCo, nam châm ferit) và vật liệu hiện đại
(nam châm Sm-Co, nam châm Nd-Fe-B) [15]. Hiện nay các nam châm vĩnh cửu
vẫn đang phát triển, việc cải thiện từ tình, thuộc tình cơ học, đặc trưng vật lý và
đặc tình hóa học cho phép ứng dụng các nam châm vĩnh cửu một cách rộng rãi

hơn. Sự hiểu biết về đặc trưng vật lý của vật liệu từ cứng dẫn đến sự khám phá
mới của nam châm từ cứng đất hiếm – kim loại chuyển tiếp. Việc tím kiếm vật
liệu mới với đặc tình nổi bật của vật liệu là nhiệt độ Curie cao, từ độ bão hòa và
lực kháng từ cao. Hính 1.19 biểu diễn sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên
phương diện thể tìch. Mỗi nam châm biểu diễn một từ trường giống nhau nhưng
quá trính trong vật liệu từ cứng cho phép giảm thể tìch nam châm. Vật liệu từ
cứng hiện đại có thể được sản xuất bởi các công nghệ khác nhau như chế tạo hạt
từ bằng phương pháp thủy phân nhiệt, phương pháp đồng khử, chế tạo cấu trúc
từ dạng chuỗi bằng phương pháp ăn mòn, quang khắc, phún xạ Tùy thuộc vào
công nghệ từng công nghệ mà nam châm vĩnh cửu cho những đặc tình khác
nhau. Điều đó cho phép sản xuất nam châm đáp ứng nhiều ứng dụng hiện đại.


Hình 1.19 Sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên phương diện thể tích.
1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, tình chất từ của vật liệu từ
cứng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn Dưới đây liệt
kê một số đặc trưng quan trọng.


15


Hình 1.20 Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng.
 Lực kháng từ
Đặc điểm được nhắc đến khi nói về vật liệu từ cứng là có lực kháng từ H
C

lớn nằm trong khoảng 10
2

÷ 10
3
kA/m. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong
các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật
liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tình đối xứng kém hơn
so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn [9].
 Cảm ứng từ dư
Cảm ứng từ dư, thường ký hiệu là B
r
hay J
r
, là cảm ứng từ còn dư sau khi
ngắt từ trường. Vật liệu từ cứng có cảm ứng từ dư B
r
đáng kể.
 Tích năng lượng từ cực đại
Tìch năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật
liệu từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị
thể tìch vật liệu từ. Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng J/m
3
.
Tìch năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong từ trễ (hính
1.20) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá
trị của tìch cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại. Ví thế, tìch năng lượng từ
cực đại thường được ký hiệu là (B.H)
max
. Để có tìch năng lượng từ cao, vật liệu
cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao.
1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng

16

Vật liệu từ cứng được ứng dụng rất rộng rãi trong các đồ chơi, máy làm
lạnh từ, các thiết bị kỹ thuật điện thông dụng như các mô tơ điện, loa điện động,
micro phôn, khóa từ và các thiết bị cao cấp như các ổ đĩa cứng, … [3]. Hiện nay,
các vật liệu từ cứng liên kim loại đất hiếm – kim loại chuyển tiếp, điển hính là
hợp chất NdFeB là vật liệu từ cứng tốt nhất. Hợp chất Nd
2
Fe
14
B có cấu trúc tứ
giác, lực kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong
các vật liệu từ cứng, do đó tạo ra tìch năng lượng từ khổng lồ [9]. Tìch năng
lượng của Nd
2
Fe
14
B ở nhiệt độ phòng có thể đạt được đến giá trị 450 kJ/m
3
.
Điều này có nghĩa là chỉ cần khoảng 2 g nam châm NdFeB đã có thể thay thế 1
kg nam châm (thép) móng ngựa trước đây [9]. Nam châm NdFeB tìch hợp có
nhiều ứng dụng tiềm năng trong các vi hệ thống từ. Họ có thể điều khiển cảm
biến, thiết bị truyền động, động cơ, thiết bị nâng/bẫy, máy phát điện, hoặc thiết
bị chuyển mạch và ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, viễn thông, ô tô và
hàng không vũ trụ, thiên văn học, y học, … Công nghệ nanô đang đưa lại các
giải pháp rất hiệu dụng để có thể phát huy các phẩm chất của các nam châm đất
hiếm ở các chi tiết tối ưu nhất và tiết kiệm nhất. Ví vậy trong luận văn này tôi đã
chọn đối tượng vật liệu nghiên cứu là các nam châm từ cứng NdFeB.

Cùng với những ứng dụng tuyệt vời trong các lĩnh vực đồ chơi, thiết bị
điện tử, … thí hiện nay vật liệu từ cứng cũng đang được ứng dụng rộng rãi trong
công nghệ sinh học. Sự phát triển của các phương pháp mới dùng để điều chỉnh
vị trì tế bào trên bề mặt là một thách thức quan trọng trong sinh học tế bào. Thật
vậy, cải thiện công nghệ cho chuỗi tế bào làm cho nó có thể trao đổi với con
người để giúp con người theo dõi sự tiến hóa của cá nhân [21]. Hơn nữa,
phương pháp phát hiện dòng hoặc các nghiên cứu dược lý yêu cầu có kết quả
nhanh để kiểm soát lây lan của hàng ngàn tế bào. Một số phương pháp đã được
đề xuất cho chuỗi tế bào trên chip. Một trong những loại phương pháp tiếp cận
dựa trên kỹ thuật bề mặt như máy tự lắp ráp đơn lớp, chip polime siêu nhỏ, Cách
tiếp cận khác là sử dụng một lực để kéo các tế bào hướng tới địa điểm được nhắm.
Trong số những kỹ thuật này thí bẫy từ chiếm nhiều ưu thế hơn, chúng được sử
dụng rộng rãi trong các chip tổ hợp và cảm biến sinh học [21]. Để hạn chế vấn đề
có thể phát sinh từ việc sử dụng các nguồn laser hoặc điện cực (chẳng hạn như tăng
nhiệt độ), người ta sử dụng các vi nam châm. Các vi nam châm thường xuyên tạo
ra từ trường mà không cần tiêu hao năng lượng hoặc cung cấp nhiệt, các vi nam
châm này phù hợp với các ứng dụng sinh học. Lee và đồng nghiệp cũng đã
chứng minh thành công bẫy tế bào, các tế bào nấm men bị ràng buộc vào những
hạt từ tình trên một ma trận vi nam châm điện [26]. Các nghiên cứu gần đây đã
chỉ ra rằng đối tượng nghịch từ vi mô, chẳng hạn như những giọt kìch thước


17

micro hoặc các vi hạt có thể được nâng lên hoặc bị mắc kẹt tại những vị trì nhất
định bằng cách sử dụng từ trường biến thiên cao. Winkleman cũng đã chứng
minh bẫy tế bào trong môi trường thuận từ chứa ion Gd3
+
, bằng cách sử dụng
hai nam châm với bán kình cong 76 μm [28]. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ

khảo sát khả năng bắt giữ phần tử sinh học bằng việc sử dụng các vi nam châm
NdFeB. Hiện nay trong phòng thì nghiệm Công nghệ micro và nano có sẵn tế
bào hồng cầu do viện 103 cung cấp, tế bào này không gây hại gí cho người thì
nghiệm nên trong luận văn này chúng tôi đã khảo sát khả năng bắt giữ tế bào
hồng cầu của các vi nam châm NdFeB.























18

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Chuẩn bị màng mỏng từ cứng cấu trúc micro
Lớp NdFeB được lắng đọng trên đế Si bằng phương pháp phún xạ triode.
Nhiệt độ của đế khi màng mỏng phún xạ là 450
o
C, và sau đó được ủ ở 750
o
C
trong 10 phút. Để ngăn chặn sự khuếch tán và sự ôxi hóa của lớp từ cứng ta phủ
một lớp Ta dày 100 nm lên mặt lớp từ cứng. Màng mỏng có cấu trúc micro được
tạo ra bằng 2 phương pháp hính thái học và từ nhiệt (hính 2.1). Kỹ thuật thứ hai
khai thác thực tế rằng khi làm nóng vật liệu từ cứng thí lực kháng từ của nó sẽ
giảm. Màng mỏng bị từ hóa được nung nóng bởi bức xạ laser thông qua một mặt
nạ, trong sự có mặt của từ trường ngoài là yếu hơn so với giá trị lực kháng từ ở
nhiệt độ phòng của màng mỏng [23]. Trong trường hợp của khuôn mẫu hính thái
học, độ dày của màng được lắng đọng là 38 μm và được ủ trên đế Si sử dụng
phản ứng khắc ion (DRIE), sau đó từ hóa theo phương ngoài mặt phẳng. Trong
trường hợp của khuôn mẫu từ nhiệt, độ dày lớp NdFeB là 4 μm theo hướng out –
off - plane thông qua một mặt nạ có chứa viền rộng 50 μm. Cả hai phương pháp
hính thái học và phương pháp từ nhiệt giá trị kháng từ khoảng 1400 kA/m [23].

Hình 2.1 Hình ảnh màng mỏng sử dụng (a) phương pháp hình thái học, (b)
phương pháp từ nhiệt.
2.2 Mô phỏng từ trường bề mặt
2.2.1 Mô hình lý thuyết
Từ trường được tạo ra bởi màng mỏng từ cấu trúc micro được tình toán
bằng cách sử dụng mô hính dòng tương đương Amperian [23]. Mô hính này áp
dụng cho màng mỏng nam châm nghiên cứu ở đây khi cho lực kháng từ cao và
kết cấu bề mặt phẳng (sự từ hóa của màng có thể được coi là không thay đổi,
ngay cả khi trường khử từ lớn, mặc dù có thể không đều). Độ bền của sự từ hóa

này cũng cho phép áp dụng các nguyên tắc chồng chất cho hệ thống bao gồm
nhiều yếu tố [23].
Áp dụng định luật Biot – Savart
 
3
0
4 R
Rdl
I
dB




(2.1)


19

Với R là bán kình véctơ từ điểm quan sát tới phần tử dòng điện
lId


Đối với trường hợp của cuộn solenoid giống như một lăng trụ chữ nhật
kìch thước 2a × 2b × 2h, miêu tả một nam châm hính lăng trụ từ hóa dọc theo
trục z. Biểu thức dB
x
, dB
y
, và dB

z
lấy tìch phân từ -a đến a, -b đến b và –h đến h.
Giá trị cảm ứng từ tại điểm quan sát bất kỳ P(x
0
, y
0
, z
0
) có thể được thể hiện bởi
các công thức sau đây [23]:
 
2
1
2
1
2
1
)ln(
24
222
0



























h
I
B
x
(2.2)
 
2
1
2
1
2
1
)ln(

24
222
0


























h

I
B
y
(2.3)
2
1
2
1
2
1
222
0
arctan
24







































h
I
B
z
(2.4)
Dòng điện tương đương I được thay bằng 2hB
r
/μ

0
, với B
r
là cảm ứng từ dư
của nam châm.
Phần mềm MacMMems dựa theo những cơ sở lý thuyết trên về từ trường
của màng mỏng từ để mô phỏng và tình toán từ trường bề mặt của vật liệu từ
NdFeB.
2.2.2 Phương pháp mô phỏng
Mô phỏng hiện tượng khoa học đã nhanh chóng trở thành một phần của
việc thiết kế và tối ưu hóa quy trính trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật.
MacMMems là môi trường cho phép bạn thực hiện các nghiên cứu khoa học liên
quan đến từ trường.
Trong phần mềm MacMMems có rất nhiều chương trính, có trương chính
dùng để tạo hính, chương trính dùng để xử lý số liệu, … Để mô phỏng từ trường
bề mặt của vật liệu chúng tôi sử dụng chương trính MacMMems và Calculator.


20


Hình 2.2 Hình ảnh của chương trình MacMMems.
Một số mô – đun trong chương trính MacMMems
- Geometry: Dùng để thay đổi thuộc tình hính thái học của vật liệu.
- Input: Dùng để thay đổi giá trị cho các biến đầu vào.
- Output: Chọn đại lượng đầu ra cho bài toán.
- Physic: Thay đổi giá trị của mômen từ, độ cảm từ …
- Equations: Dùng để viết phương trính tình toán cho bài toán.

Hình 2.3 Hình ảnh chương trình Calculator.