ẢNH HƯỞNG của từ TRƯỜNG TRONG QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG lên TÍNH CHẤT từ của dây NANO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

Vũ Thị Thanh

ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG QUÁ TRÌNH
LẮNG ĐỌNG LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA DÂY NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

Vũ Thị Thanh

ẢNH HƢỞNG CỦA TỪ TRƢỜNG TRONG QUÁ TRÌNH
LẮNG ĐỌNG LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA DÂY NANO
Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :TS.LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy giáo TS. Lê Tuấn Tú,
người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Thầy đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn, giúp đỡ em trong việc định hướng luận văn và trả lời những thắc mắc về
đề tài luận văn. Em xin chân thành cảm ơn thầy!
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý Nhiệt độ
thấp trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN đã truyền đạt những kiến thức
chuyên ngành vô cùng quý báu. Em xin cảm ơn những thầy cô đã giảng dạy em
trong những năm qua, những kiến thức mà em nhận được trên giảng đường sẽ là
hành trang giúp em vững bước trong tương lai.
Em xin gửi lời cảm ơn tới anh Lê Văn Thiêm, người đã hướng dẫn, hỗ trợ
em trong các bước tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu tài liệu. Cám ơn sự hỗ trợ
của đề tài VNU QG.14.14.
Em cũng không quên gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những anh chị
đã đồng hành, giúp đỡ em trong quá trình tìm tài liệu, trao đổi kiến thức cũng
như truyền đạt những kinh nghiệm giúp em có thể hoàn thành luận văn một cách
tốt nhất.
Và lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình của mình. Cảm ơn cả
gia đình đã luôn bên con, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho con trong suốt thời
gian qua.
Sau cùng, em xin kính chúc toàn thể các thầy cô giáo luôn mạnh khoẻ, hạnh
phúc và thành công trong công việc và cuộc sống.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 21 tháng 8 năm 2014
Học viên

Vũ Thị Thanh

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoNiP ....4
1.1. Giới thiệu về dây nano ..................................................................................... 4
1.1.1. Các dây nano tạo mảng và phân tán .......................................................... 5
1.1.2. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp..................................... 5
1.2. Tính chất từ của dây nano từ tính và sự ảnh hưởng của từ trường trong quá
trình lắng đọng ........................................................................................................ 6
1.2.1. Dị hướng hình dạng ................................................................................... 6
1.2.2. Chu trình từ trễ .......................................................................................... 7
1.2.3. Một số ảnh hưởng của từ trường ............................................................... 8
1.3. Một số ứng dụng của dây nano từ tính .......................................................... 10
1.3.1. Tăng mật độ bộ nhớ bằng các dây nano .................................................. 10
1.3.2. Động cơ điện từ cỡ nhỏ ........................................................................... 11
1.3.3. Thao tác phân tử sinh học....................................................................... 12
1.3.4. Hệ thống cảm biến sinh học treo ............................................................ 13
1.3.5. Phân phối gen .......................................................................................... 14
1.4. Giới thiệu vật liệu CoNiP và một số tính chất của vật liệu CoNiP ............... 14
CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................................... 18
2.1. Phương pháp chế tạo...................................................................................... 18
2.1.1. Một số phương pháp chế tạo ................................................................... 18
2.1.2. Phương pháp lắng đọng điện hóa ............................................................ 20
2.2. Chế tạo mẫu ................................................................................................... 23
2.3. Các phương pháp phân tích ........................................................................... 24
2.3.1. Phương pháp Vol-Ampe vòng (CV) ....................................................... 24
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................ 26
2.3.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................................... 28
2.3.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................................................... 30

2.3.5. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ....................................................... 31
2.3.6. Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) ............................................................... 33
CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 36
3.1. Kết quả đo Vol-Ampe vòng (CV) ................................................................. 36
3.2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào thời gian ................................................ 36
3.3. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................... 38
3.3.1. Hình thái học bề mặt của khuôn polycarbonate (PC) ............................. 38
3.3.2. Hình thái học của mẫu ............................................................................. 38
3.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X .............................................................................. 39
3.4.1. Phổ nhiễu xạ tia X ................................................................................... 39
3.4.2. Hằng số mạng tinh thể ............................................................................. 40
3.5. Kết quả đo hiển vi điện tử truyền qua (HRTEM) .......................................... 41
3.6. Kết quả phổ tán sắc năng lượng (EDS) ......................................................... 42
3.7. Tính chất từ .................................................................................................... 43
3.7.1. Đường cong từ trễ.................................................................................... 43
3.7.2. Lực kháng từ Hc....................................................................................... 45
3.7.3. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms tại nhiệt độ phòng vào từ trường ...46
3.7.4. Tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms................................................. 47
3.7.5. Trường dị hướng Hk và năng lượng dị hướng KU .................................. 48
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 52


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. (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 ............................ 5
Hình 1.2. (a) Dây nano Co bị phân tán; (b) Dây nano CuS được tạo mảng ............. 5
Hình 1.3. (a) Dây nano CoPtP một đoạn; (b) Dây nano CoPtP sáu đoạn................ 6
(c) Dây nano nhiều lớp Fe – Au ................................................................................. 6

Hình 1.4. Ba hình elipxoit đặc trưng.......................................................................... 7
Hình 1.5. 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 ............. 8
Hình 1.6. Lực kháng từ của vật liệu CoPtP với các giá trị khác nhau của từ trường 9
Hình 1.7. 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) ..................................................... 9
Hình 1.8. Mô hình lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ "racetrack" ................................. 11
Hình 1.9. Động cơ điện từ cỡ nhỏ ........................................................................... 12
Hình 1.10. (a ) Sơ đồ phân tách các protein His t ừ các protein chưa được đánh dấ u;
(b) phân tách các kháng th ể poly – His t ừ các kháng th ể khác ................................. 13
Hình 1.11. (a) Sự tương tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano kim
loại được mã hóa; (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian được thực hiện
trên một dây nano..................................................................................................... 13
Hình 1.12. Cấu trúc tinh thể CoNiP......................................................................... 14
Hình 1.13. Sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày của màng CoNiP: vuông
góc (đường hình tròn) và song song (đường hình vuông) ....................................... 15
Hình1.14. (a) Ảnh TEM từng thành phần của màng CoNiP; (b) Thông tin các thành
phần được đo bởi phép đo phổ tia X (XPS); (c) Tỉ lệ [Co]/[Ni] thể hiện như một
hàm của độ dày ........................................................................................................ 16
Hình 1.15. (a) ảnh TEM cắt từng phần với độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện tử .16
Hình 1.16. Sự phụ thuộc của hình thái bề mặt của CoNiP vào nồng độ NaH2PO2
(a): 0 M; (b): 0,019 M; (c):0,028 M và (d): 0,146 M .............................................. 17
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí ngiệm phương pháp lắng đọng điện hóa khi không........ 22
có từ trường ngoài.................................................................................................... 22
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí ngiệm phương pháp lắng đọng điện hóa khi có từ trường ngoài ....23


Hình 2.3. Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV .................................................... 25
Hình 2.4. Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể ............................................................ 26
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy XRD .......................................................... 26

Hình 2.6. Máy nhiễu xạ tia X D5005 ....................................................................... 28
Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét .......................................................................... 29
Hình 2.8. (a) Kính hiển vi điện tử truyền qua; (b) sơ đồ nguyên lý của hiển vi điện
tử truyền qua ............................................................................................................ 30
Hình 2.9. Phổ tán sắc năng lượng tiaX (EDS)......................................................... 33
Hình 2.10. Máy đo từ kế mẫu rung (VSM) .............................................................. 34
Hình 2.11. Mô hình từ kế mẫu rung ........................................................................ 34
Hình 3.1. Kết quả đo CV của dung dịch CoNiP ...................................................... 36
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng theo thời gian ......................................... 37
Hình 3.3. Ảnh SEM của khuôn PC ........................................................................... 38
Hình 3.4. Ảnh hiển vi điện tử quét của dây CoNiP ................................................. 39
Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của dây nano CoNiP ................................................. 40
Hình 3.6. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của dây CoNiP với H = 0 Oe ................ 41
Hình 3.7. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của dây CoNiP với H = 2100 Oe .......... 42
Hình 3.8. Phổ EDS của dây nano CoNiP ............................................................... 43
Hình 3.9. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 0 Oe. ................................... 44
Hình 3.10. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 750 Oe, 1200 Oe .............. 44
Hình 3.11. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 1500 Oe, 2100 Oe ............ 45
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào từ trường của dây CoNiP .............. 46
Hình 3.13. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào từ trường của dây CoNiP ............ 47
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của tỷ số Mr/Ms vào từ trường của dây CoNiP ............... 48
Hình 3.15. Sự phụ thuộc của Hk vào từ trường của dây CoNiP.............................. 49
Hình 3.16. Sự phụ thuộc của KU vào từ trường của dây CoNiP .............................. 50


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ nano là hướng nghiên cứu thu hút
được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công
nghiệp bởi những ứng dụng to lớn của chúng trong sản xuất các thiết bị công
nghiệp, y sinh, hàng không… Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa

học, số các phát minh, sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công
nghệ nano tăng theo cấp số mũ. Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái
gì đó. Ví dụ một nano giây là nói đến một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của
một giây. Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can
thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô
đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất tại các quy mô lớn hơn. Khái niệm
công nghệ nano được nhà vật lý học Richard Feynman nhắc đến lần đầu tiên trong
bài diễn văn đọc tại Hội nghị các nhà vật lý Mỹ năm 1959. Khi đó, ông đã dự báo
một thời kỳ mà người ta có thể ráp nguyên tử với nguyên tử, phân tử với phân tử,
các công cụ thật nhỏ giúp sản xuất các vật chất nhỏ hơn nữa.
Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện
mạo của các ngành khoa học. Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo ra một
cuộc cách mạng trong những ứng dụng y 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 [2, 4].
Trong ngành công nghiệp, các tập đoàn sản xuất điện tử đã đưa công nghệ
nano vào ứng dụng, tạo ra sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc iPod
nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lí cực nhanh, các thiết bị ứng
dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn các thiết bị với công nghệ
micro trước đó [10]… Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các
phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano, các hạt nano đóng vai
trò là “xe tải kéo”, tránh được các hiệu ứng phụ gây ra cho tế bào lành. Y tế nano
ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu được quan tâm nhất đối với sức khỏe con

1


người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như
HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lây lan rộng hiện nay như béo phì,

tiểu đường, liệt rung, mất trí nhớ. Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công
nghệ nano vào giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi
trường ngày càng gia tăng, việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị,
vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến ta không thể hình dung nổi.
Hiện nay, việc chế tạo các dây nano từ tính đang được nhiều nhóm nghiên
cứu trên thế giới quan tâm. Có thể kể đến một số cường quốc đang chiếm lĩnh thị
trường công nghệ này hiện nay là: Mĩ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Nga và một số
nước Châu Âu… Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu, chế tạo các vật liệu nano
để sử dụng các ứng dụng của nó. Tại bộ môn Vật lí Nhiệt độ thấp Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, nhóm nghiên cứu chế tạo màng, chế tạo dây có
kích thước nano cũng đã được hình thành và đang tiến hành các chương trình nghiên
cứu, với các loại dây đơn chất như Ni, Fe, Co và các loại dây hợp kim như CoFe,
NiFe, CoPt... và được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như: lắng đọng
chùm phân tử (MBE), phún xạ catot, nhiệt cacbon, bốc bay nhiệt, điện hoá…[20].
Trong các phương pháp chế tạo trên, phương pháp lắng đọng điện hóa có những ưu
điểm hơn các phương pháp khác. Huang et al là người đầu tiên báo cáo sự lắng đọng
của các dây nano CoPt sử dụng điện hóa. Một nhược điểm của việc chế tạo sử dụng
phương pháp này là sự khó khăn trong việc có được một pha hoàn hảo. Vì vậy, các
nhà nghiên cứu đã tập trung vào một số hướng xử lý đầu tiên đó là thay đổi đường
kính của mẫu [17], thay đổi giá trị pH của chất điện phân, thay đổi mật độ trong quá
trình điện hóa [18], thay đổi thành phần của dây hoặc ống nano… [19]. Trong một
số bài báo, các nhóm nghiên cứu đã chỉ ra được sự ảnh hưởng mạnh mẽ của từ
trường lên tính chất tinh thể và tính chất từ của dây nano CoPt. Hiểu về sự ảnh
hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng đóng một vai trò quan trọng trong
việc kiểm soát và chế tạo các dây nano và ống nano. Chính vì vậy luận văn của em

2


đã tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng

lên tính chất từ của dây nano CoNiP.
Nội dung luận văn gồm 3 phần chính:

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


CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoNiP
1.1. 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 ụ khối.
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. Hình 1.1 cho ta hình ảnh về dây nano từ một đoạn và dây
nano từ nhiều đoạn.

4


Hình 1.1. (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
1.1.1. 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.

Hình 1.2. (a) Dây nano Co bị phân tán; (b) Dây nano CuS được tạo mảng [17]
Hình 1.2(a) chỉ ra ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70
nm. Trên hình 1.2(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm.
1.1.2. 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

Hình 1.3. (a) Dây nano CoPtP một đoạn; (b) Dây nano CoPtP sáu đoạn
(c) Dây nano nhiều lớp Fe – Au [14]
Hình 1.3(a) thể hiện hình ảnh dây nano CoPtP một đoạn. Hình 1.3(b) cho ta
hình ảnh dây nano CoPtP sáu đoạn. Hình 1.3(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều
lớp Fe - Au [12, 14, 15]. 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].
1.2. Tính chất từ của dây nano từ tính và sự ảnh hƣởng của từ trƣờng trong
quá trình lắng đọng
1.2.1. 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

6

(1)


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 1.4. 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).
1.2.2. Chu trình từ trễ
Đối với các dây nano, chu trình từ trễ được thể hiện như hình 1.5 [11].

7


Hình 1.5. 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. Quan sát hình 1.5,
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.
1.2.3. 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 hình1.6. 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


Hình 1.6. 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 1.7. 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


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.
1.3. 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…
1.3.1. 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
1.8). 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. Nếu công nghệ này thành
công, một phương pháp khả thi là sử dụng các dòng phân cực spin để di chuyển các

vách domain trong các dây nano.Và thách thức chính là làm sao để giảm mật độ
dòng xuống đến mức đủ nhỏ để có thể di chuyển các vách đômen khi mà chúng bị

10


hãm dịch chuyển bởi các sai hỏng trong dây. Hiện tại, mật độ dòng cần thiết là quá
lớn cho các bộ nhớ thương phẩm.

Hình 1.8. Mô hình lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ "racetrack"
Nhưng mới đây, Stuart Parkin cùng các đồng nghiệp ở Trung tâm Nghiên cứu
Almaden của IBM (Mỹ) đã tìm ra cách để làm giảm mật độ dòng phân cực đi hơn 5
lần bằng cách khai thác đặc tính, đó là có các tần số dao động riêng của các vách
domain bị hãm. Khi cho một chuỗi các xung dòng với chu kỳ xung và độ rộng xung
thích hợp, biên độ dao động sẽ tăng cho đến khi vách domain tự vượt qua các sai
hỏng và dịch chuyển dọc theo dây [20].
1.3.2. Động cơ điện từ cỡ nhỏ
Chuyển động thẳng hay chuyển động quay là hai loại chuyển động phổ biến
trong hầu hết các thiết bị động cơ. Vì vậy, việc kiểm soát các dây nano từ tính để
ứng dụng trong các chuyển động này đóng vai trò chủ đạo trong việc phát triển các
máy móc ở cấp độ nano. Sự chuyển động thẳng của các dây nano từ thường có được
thông qua các gradient từ, trong khi việc kiểm soát các dây nano từ trong chuyển
động quay thì phức tạp hơn nhiều [20, 21].

11


Barbic đã tạo ra chuyển động quay của các roto từ không có chốt quay trong
các chất lưu. Các roto từ này là các dây nano từ đơn đômen với chiều dài dây nhỏ
hơn 100 µm và chuyển động quay của dây nano từ được kiểm soát bởi một stato

bên ngoài chất lưu.

Hình 1.9. Động cơ điện từ cỡ nhỏ
Hình 1.9 mô tả cấu tạo của loại động cơ này. Stato của động cơ được tích
hợp bởi những cuộn dây và các đầu nhọn cỡ micro. Mỗi cuộn dây này được làm từ
vật liệu từ mềm và có xấp xỉ 10 vòng dây với đường kính mỗi dây là 25 µm cuốn
quanh một vật liệu từ mềm có đường kính được sắp xếp vào một tam giác đều sao
cho khoảng cách giữa các đầu nhọn là 50 µm. Các đầu nhọn của stato liên kết với
ba bộ khuếch đại dòng độc lập với nhau bởi các kênh D/A, chú ý là các kênh D/A
này cũng độc lập với nhau. Việc kiểm soát các kênh này được thiết lập sao cho ba
cuộn dây trong stato được điều khiển bởi ba dòng điện hình sin với độ lệch pha giữa
mỗi dòng điện là 1200. Kết quả là, stato có thể gây ra các lực hút và lực đẩy hình sin
lên roto từ, bằng cách này mà các roto từ sẽ quay dưới tác động của stato [21].
1.3.3. Thao tác phân tử sinh học
Các dây nano từ tính có thể được sử dụng trong phân tách các phân tử sinh
học. Cả các dây nano từ tính đơn đoạn và dây nano từ tính nhiều đoạn đều được sử
dụng để phân tách tế bào. Nói chung, các dây nano từ tính tốt hơn các hạt hình cầu

12


từ tính trong phân tách tế bào. Có thể thao tác các phân tử sinh học bằng cách sử
dụng các dây nano từ tính dưới tác động của từ trường ngoài, điều này là cơ sở của
nhiều ứng dụng y sinh của các dây nano từ tính.
Trong hình 1.10 là trường h ợp phân tách t ế bào b ằ ng cách s ử dụ ng các dây
nano nhiều đoạ n:

Hình 1.10. (a ) Sơ đồ phân tách các protein His t ừ các protein chưa được đánh dấ u;
(b) phân tách các kháng th ể poly – His từ các kháng th ể khác [16]
1.3.4. Hệ thống cảm biến sinh học treo

Hình 1.11. (a) Sự tương tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano
kim loại được mã hóa; (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian
được thực hiện trên một dây nano [19]

13


Như biểu diễn trên hình 1.11, có thể sử dụng các dây nano nhiều lớp như
một chất nền trong bộ điều khiển cảm biến sinh học để xét nghiệm miễn dịch tầng
trung gian. Dây nano nhiều lớp bao gồm các lớp „submicrometer‟ của các kim loại
khác nhau, và thông thường được tổng hợp bằng cách mạ điện trong mẫu oxit
nhôm. Nhiều biến đổi có thể xảy ra trong tổng hợp các dây nano, một số lượng lớn
các dây nano được mã hóa có thể nhận biết dễ dàng chứa trong một mẫu mảng
nhiều lớp. Nhóm tác giả Tok đã nghiên cứu ứng dụng của các dây nano kim loại
nhiều lớp trong mẫu treo cho xét nghiệm miễn dịch nhanh và chính xác [19].
1.3.5. Phân phối gen
Phân phối gen bằng cách sử dụng các dây nano từ tính nhiều đoạn thể hiện
thuận lợi rõ ràng. Các tính chất của các hệ thống phân phối gen thông thường có thể
không được kiểm soát trên quy mô nano, chúng bị giới hạn bởi hiệu suất chuyển
nạp tương đối thấp của chúng, giới hạn khả năng của hệ thống để kết hợp DNA
ngoại lai bên trong một tế bào mục tiêu. Tuy nhiên, trong việc chế tạo dây nano
nhiều đoạn, có thể kiểm soát chính xác vật liệu của mỗi đoạn và các tính chất của
chúng ở quy mô kích thước nano. Hơn nữa, các dây nano nhiều đoạn có thể cung
cấp các chức năng khác nhau trong khu vực không gian xác định, do đó có thể kiểm
soát chính xác sự bố trí kháng nguyên và sự kích thích của các phản ứng miễn dịch
nhiều lớp.
1.4. Giới thiệu vật liệu CoNiP và một số tính chất của vật liệu CoNiP
Vật liệu CoNiP thuộc loại vật liệu từ tính có cấu trúc tinh thể dạng lục giác
xếp chặt (hexangonal).

Hình 1.12. Cấu trúc tinh thể CoNiP

14


Trên đây là hình 1.12 mô phỏng cấu trúc tinh thể của vật liệu CoNiP, cho
thấy sự sắp xếp của các nguyên tử Co, Ni, P trong ô mạng cơ sở.
Được xếp vào loại vật liệu từ cứng, màng mỏng CoNiP được ứng dụng nhiều
trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), các cảm biến và trong lưu trữ thông tin.
Màng mỏng CoNiP có tính dị hướng vuông góc cao, lực kháng từ lớn cỡ 3000 Oe
[6, 7]. Đối với màng mỏng sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày màng
mỏng là rất mạnh. Hình 1.13 thể hiện sự phụ thuộc của trường kháng từ vuông góc
và song song vào độ dày của màng CoNiP.

Hình 1.13. Sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày của màng CoNiP: vuông
góc (đường hình tròn) và song song (đường hình vuông)
Lực kháng từ vuông góc của màng tăng rất nhanh khi độ dày tăng từ 5 nm
đến 30 nm và lực kháng từ lớn nhất cỡ 3000 Oe khi độ dày màng là 30 nm. Lực
kháng từ của các màng dày hơn 30 nm là tương đối ổn định.
Hình 1.14 thể hiện ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cắt từng phần của
màng CoNiP.

15


Hình1.14. (a) Ảnh TEM từng thành phần của màng CoNiP; (b) Thông tin các thành
phần được đo bởi phép đo phổ tia X (XPS); (c) Tỉ lệ [Co]/[Ni] thể hiện như một
hàm của độ dày
Trên hình 1.14(b) cấu tạo màng CoNiP trên đường có màu đen, hình 1.14(a)

từ lớp dính Cr đến lớp CoNiP được chỉ ra. Hình 1.14(c) thể hiện tỉ lệ [Co]/[Ni]
được tính từ dữ liệu trên hình 1.14(b). Từ hình 1.14 ta thấy nồng độ Co tăng
khi độ dày tăng.

Hình 1.15. (a) ảnh TEM cắt từng phần với độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện tử

16


Hình 1.15 đã thể hiện cấu trúc màng CoNiP với độ dày 30 nm. Cấu trúc tinh
thể của màng CoNiP phát triển từ lớp lót Cu được quan sát rõ trên hình 1.15(a).
Dưới đây là hình 1.16 thể hiện sự phụ thuộc của hình thái bề mặt của CoNiP
vào nồng độ NaH2PO2:

Hình 1.16. Sự phụ thuộc của hình thái bề mặt của CoNiP vào nồng độ NaH2PO2
(a): 0 M; (b): 0,019 M; (c):0,028 M và (d): 0,146 M
Hình 1.16 đã cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của nồng độ NaH2PO2 lên hình thái
bề mặt của CoNiP. Đối với NaH2PO2 0 M bề mặt của mẫu khá trơn tru. Mặt khác,
đối với dung dịch có chứa 0,019 M NaH2PO2 hình thái bề mặt xuất hiện nốt. Khi
tiếp tục tăng nồng độ dung dịch NaH2PO2 bề mặt mượt mà và ít nốt hơn.

17


CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Phƣơng pháp chế tạo
Các vật liệu nano có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp, mỗi phương
pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, một số phương pháp chỉ có thể
được áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi.
2.1.1. Một số phƣơng pháp chế tạo

• Phương pháp nhiệt các bon
Dây nano dạng oxit rất đa dạng, nitrat hóa và các bua có thể được tổng hợp
bằng phản ứng nhiệt cacbon. Ví dụ, các bon trong hỗn hợp cùng với oxit tạo ra từ
hơi hóa chất dạng oxit tương tác với C, O2, N2 hoặc NH3 sẽ tạo ra dạng dây nano
cần thiết. Như vậy sự đốt nóng hỗn hợp của Ga2O3 cùng cacbon trong N2 hoặc NH3
sẽ tạo ra dây nano GaN. Phương pháp nhiệt các bon thông thường bao gồm những
chu trình liên tiếp sau:
Oxit kim loại + C -> oxit kim loại thấp oxi + CO.
Oxit kim loại thấp oxi + O2 -> dây nano kim loại oxit.
Oxit kim loại thấp oxi + NH3 -> dây nano kim loại nitrat hóa + CO + H2.
Oxit kim loại thấp oxi + N2 -> dây nano kim loại nitrat hóa + CO.
Oxit kim loại thấp oxi + C -> dây nano kim loại cacbua hóa + CO.
Thông thường bước đầu là sự hình thành oxit kim loại hóa trị thấp khi xảy ra
phản ứng giữa oxit kim loại với cacbon. Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm, oxit kim
loại hóa trị thấp được đun nóng trong môi trường O2, NH3, N2 hoặc cacbon oxit [5].
• Phương pháp hóa ướt
Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa, phương pháp thủy
nhiệt, sol-gel, và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau
được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất
mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta
thu được các vật liệu nano.
Ưu điểm: các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu
vô cơ, hữu cơ, kim loại.

18