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

i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU
TỪ CỨNG CẤU TRÚC MICRO - NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

Hà Nội – 2012


ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU
TỪ CỨNG CẤU TRÚC MICRO - NANO

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. PHẠM ĐỨC THẮNG

Hà Nội – 2012

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 hình 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 hình 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 hình 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 kích 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 hình ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ ............................................... 43
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 46


2

TÓM TẮT LUẬN VĂN
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 nhiề u 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.
Luận văn này được thực hiện với mục đìch khảo sát sự phân bố của từ trường
trên bề mặt của các nam châm từ cứng NdFeB có cấu trúc micro-nano 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.

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.
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].
1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường
 Cường độ từ trường H
 Cảm ứng từ B
 Từ độ M


3

 Trường khử từ Hd
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].
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].
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.
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.
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].
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 ferri 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.


4

 Cấu trúc GMR (Giant magnetoresistance)
 Cấu trúc TMR (Tunneling magnetoresistance)
 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].
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.
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].

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.
 Lực kháng từ
 Cảm ứng từ dư
 Tích năng lượng từ cực đại
1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng
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.
Cùng với những ứng dụng tuyệt vời trong các lĩnh vực đò chơi, thiết bị, đồ
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]. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra
rằng đối tượng nghịch từ vi mô, chẳng hạn như những giọt kìch thước micro hoặc các
vi hạt có thể được nâng lên hoặc bị mắc kẹt bằng cách sử dụng từ trường biến thiên
cao. 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


5

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.

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 450oC, và sau đó được ủ ở 750oC 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).

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 []. Mô hính này áp dụng cho
màng mỏng nam châm nghiên cứu ở đây khi cho lực kháng từ cao và kết cấu ngoài
mặt phẳng mạnh (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 [13].
Áp dụng định luật Biot – Savart
 I dl  R
dB  0 
(2.1)
4
R3

Với R là bán kình véc tơ từ điểm quan sát tới phần tử dòng điện Idl
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 dBx, dBy, và dBz 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(x0, y0, z0) có thể được thể hiện bởi các công thức sau
đây [23]:





2

 2 2 
 0 I 
 
2
2
2
Bx  
 ln(        ) 1  
4 2h 
 1 

(2.2)
1


6





2

 2 2 
 0 I 
 
2
2
2
By  
 ln(       ) 1  
4 2h 
 1 
1


 2  2  2
 0 I 
Bz  
 arctan
4 2h 




2

(2.3)
2



  
  
 
1   
1 
1
2

(2.4)

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.
Để khảo sát từ trường bề mặt của vật liệu NdFeB, chúng tôi đã sử dụng phần
mềm mô phỏng MacMMems. Trước tiên chúng tôi sử dụng chương trính
MacMmems để thiết kế mô hính gồm nhiều nam châm NdFeB kìch thước micro sắp
xếp theo một trật tự nhất định trong không gian ba chiều. Sau đó nhập các giá trị biến
cần thiết và viết phương trính để mô phỏng từ trường bề mặt. Cuối cùng chúng tôi sử
dụng chương trính Calculator để xuất ra giá trị từ trường và hính ảnh từ trường của
vật liệu.
2.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu
Nghiên cứu ban đầu về cấu trúc và tình chất của các phân tử cho thấy các phần
tử sinh học đều có thành phần nghịch từ. Nghiên cứu sinh học cũng cho thấy tình chất
từ của các tế bào liên quan đến hemoglobine. Hemoglobine là nghịch từ khi ở trạng
thái oxy hóa, và thuận từ trong trạng thái khử oxy. Hồng cầu, hay hồng huyết cầu (có
nghĩa là tế bào máu đỏ), là loại tế bào máu có chức năng chình là hô hấp, chuyên chở
hemoglobin, qua đó đưa O2 từ phổi đến các mô. Trong luận văn này chúng tôi sẽ mô

tả việc sử dụng các vi nam châm từ cứng NdFeB để bẫy các tế bào hồng cầu.
2.3.1 Đặc điểm của tế bào hồng cầu
Dưới kình hiển vi quang học, hồng cầu được thấy có hính tròn; nên thời trước
người ta cho rằng các tế bào đó hính cầu (hính cầu nhín dưới mọi góc độ đều thấy
tròn) - đây là nguồn gốc tên gọi "hồng cầu". Dưới kình hiển vi điện tử, tế bào hồng
cầu có hính đĩa lõm hai mặt với đường kình khoảng 7.8 µm (1000.000µm = 1m), độ
dày 2.5 µm ở chỗ dày nhất và không quá 1µm ở trung tâm.
2.3.2 Mô hình lý thuyết
Các lực tác dụng lên một hạt tiếp xúc với từ trường được cho bởi biểu thức:


7

F

V  

0

B   B

(2.6)

trong đó V là khối lượng của hạt, Δχ độ cảm từ chênh lệch giữa độ cảm từ của hạt
(χp) và môi trường xung quanh bộ đệm (χm) và B cường độ từ trường.
Khi Δχ <0, hạt được hướng đi từ bề mặt nam châm đối với 'bẫy', tức là vị trì ổn định,
tương ứng với mức năng lượng tối thiểu [21]. Hiệu ứng này được gọi là
magnetophoresis âm. Ví vậy, bẫy từ đòi hỏi độ cảm từ của hạt thấp hơn so với môi
trường. Ngược lại khi độ cảm từ càng cao, bẫy tốt hơn. Mặc dù, hầu hết các vật liệu
sinh học, bao gồm cả các tế bào sống, và môi trường là nghịch từ (độ cảm từ âm). Do

đó, bẫy từ đạt kết quả tốt khi các tế bào không ghi nhãn được ngâm trong một môi
trường thuận từ [21].
2.3.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu.
Tế bào hồng cầu mà chúng tôi sử dụng trong thì nghiệm này được viện 103
cung cấp. Lúc đầu tế bào hồng cầu được để trong 1 ống nghiệm chứa dung dịch NaCl
0.9 %. Tỉ lệ được sử dụng để thì nghiệm là: 1:50 (20 µl tế bào hồng cầu cộng với 980
µl NaCl).
Để khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu của vi nam châm NdFeB, Chúng
ta sẽ nhỏ 10 µl tế bào hồng cầu lên trên bề mặt các vi nam châm và sử dụng kình hiển
vi quang học để quan sát sự phân bố của tế bào hồng cầu trên các vi nam châm
NdFeB. Các vi nam châm NdFeB sử dụng trong thì nghiệm này có kìch thước 50×50
µm2, chiều dày h = 30 µm. Để bảo vệ bề mặt nam châm không bị ăn mòn, tình chất từ
của các vi nam châm không bị thay đổi trong quá trính thì nghiệm, chúng tôi đã phủ
một lớp PDMS dày 10 µm lên trên bề mặt vi nam châm NdFeB.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Ảnh hưởng của số lượng nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt
Mô hình 1 nam châm
Mô hính một nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm được
miêu tả trong hính 3.1a. Với mô hính này từ trường được khảo sát theo hai đường
trên bề mặt của nam châm là đường màu đen (ở trung tâm của nam châm) và đường
màu đỏ (ở mép của nam châm), với cảm ứng từ dư Br = 1 T.
Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen (hính 3.1b) cho thấy từ
trường giảm dần khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm. Kết quả
khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ (hính 3.1c) cũng cho thấy từ trường giảm
dần khi ta tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm. Chúng ta có thể thấy
khi khảo sát theo đường màu đen và đường màu đỏ thí từ trường đạt cực đại tại vị trì
y = 0 khi khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm tăng từ 2 µm đến 10 µm. Tại
vị trì d =1 µm đỉnh cực đại gần như phẳng do các đường sức từ ở sát bề mặt nam

8

châm đều có hướng đi lên, lúc này chúng chưa có hướng đi ra hai bên. Khi khoảng
cách d > 15 µm thí từ trường giảm dần về 0 ví khoảng cách này rất xa bề mặt nam
châm, khoảng cách này lớn hơn 3.75 lần chiều dày của nam châm nên có thể các
đường sức từ không vượt qua được giới hạn này.

(a)
(b)

(c)
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.
Từ kết quả đo trên hính 3.1b và hính 3.1c, các giá trị từ trường cực đại Bzmax
được liệt kê trong bảng 3.1. Ta thấy ở cùng một khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt
nam châm (cùng khoảng cách d) thí giá trị Bzmax khảo sát theo đường màu đen lớn
hơn đường màu đỏ, có nghĩa là từ trường ở trung tâm của nam châm lớn hơn từ
trường ở mép của nam châm. Điều này là phù hợp với sự phân bố của đường sức từ


9

do nam châm tạo ra, các đường sức từ tập trung nhiều ở trung tâm của nam châm nên
từ trường ở trung tâm của nam châm lớn hơn ở mép của nam châm.

Mô hình 2 nam châm

(a)

(b)
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.
Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ được thể hiện trên hính
3.2b, ta thấy giá trị Bzmax giảm, giá trị Bzmin tăng, khoảng cách từ đỉnh cực đại tới đỉnh
cực tiểu giảm khi tăng khoảng cách từ đầu đo tới bề mặt nam châm.
Mô hình 3 nam châm

(a)

(b)
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
Mô hính 3 nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng
cách giữa 2 nam châm là 10 µm được miêu tả trên hính 3.3a và kết quả khảo sát từ
trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính với cảm ứng từ dư Br = 1 T được thể
hiện trên hính 3.3b. Với mô hính 3 nam châm ta thấy cũng giống như mô hính 2 nam


10

châm là từ trường đều giảm khi tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm.
Nhưng khác với mô hính 2 nam châm là sự xuất hiện thêm của các đỉnh cực đại và
đỉnh cực tiểu, tức là xuất hiện thêm các vùng từ trường biến thiên.
Bảng 3.1 Giá trị Bzmax, Bzmin khảo sát dọc theo đường màu đỏ của mô hình 2 nam
châm và 3 nam châm.
Kích thước nam châm
Số
Khoảng cách
lượng Chiều Chiều Chiều từ đầu đo đến

nam
dài l rộng w dày h
bề mặt nam
Bzmax (T) Bzmin (T)
châm (µm)
(µm)
(µm)
châm d (µm)

2

3

10

10

10

10

4

4

1

0.242

-0.045

2

0.193

-0.027

3

0.15

-0.012

5

0.089

0.0065

10

0.028

0.014

1

0.241

-0.046

2

0.192

-0.028

3

0.149

-0.013

5

0.088

0.0066

10

0.027

0.013

Mô hình 4 nam châm
Mô hính 4 nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng
cách giữa 2 nam châm là 10 µm được thể hiện trên hính 3.4a, kết quả khảo sát từ
trường trên bề mặt nam châm, với cảm ứng từ dư Br = 1 T được thể hiện trong hính
3.4b. Cũng giống như các mô hính 2 nam châm, 3 nam châm, từ trường khảo sát theo

đường màu đen (từ trường trên bề mặt nam châm) giảm khi ta tăng khoảng cách từ
đầu đo đến bề mặt nam châm và đến khoảng cách d > 15 µm không còn xuất hiện các
vùng từ trường biến thiên trên bề mặt nam châm, lúc này từ trường sẽ giảm dần về 0.


11

(a)
(b)

(c)
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.
Hính 3.4c là kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính,
đây chình là hính ảnh từ trường tại vị trì giữa các nam châm. Chúng ta có thể thấy, ở
khoảng cách d < 3 µm từ trường đạt cực đại tại vị trì giữa 4 nam châm, nhưng khi ở
khoảng cách d > 3 µm từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm.


12

Mô hình 6 nam châm

(a)
(b)

(c)
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.
Mô hình 9 nam châm
Kết quả khảo sát từ trường bề mặt của mô hính 9 nam châm giống với kết quả
của các mô hính trên. Sự khác biệt ở đây chỉ là sự xuất hiện thêm của các vùng từ
trường biến thiên ví số lượng nam châm đã tăng lên.


13

(b)
(a)

(c)
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
Khi khảo sát dọc theo đường màu đen chúng ta cũng thấy từ trường trên bề mặt
nam châm giảm dần khi tăng khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm. Đến
khoảng cách d > 15 µm thí không còn xuất hiện các vùng từ trường biến thiên nữa, từ
trường lúc này sẽ giảm dần về không. Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường
chéo màu xanh của mô hính tương tự như khi chúng ta khảo sát theo đường màu đen,
ví đây đều là hính ảnh từ trường trên bề mặt nam châm. Hính 3.7 là kết quả khảo sát
từ trường tại vị trì giữa các nam châm, chúng ta thấy rằng khi d > 15 µm sẽ không
còn tồn tại các vùng từ trường biến thiên nữa. Ví vậy mà khi d < 15 µm các phần tử
sinh học sẽ bị bắt giữ tại vị trì giữa các nam châm, khi d > 3 µm thí các phần tử sinh

14

học sẽ tập chung nhiều tại vị trì giữa 4 nam châm. Kết quả khảo sát tương tự khi
chúng ta tiếp tục tăng số lượng nam châm.

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.
3.2 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nam châm lên sự phân bố của từ
trường bề mặt
Mô hính 9 nam châm vuông có kìch thước là 10×10 µm2, dày 4 µm, khoảng
cách giữa 2 nam châm bằng với kìch thước nam châm, từ trường được khảo sát dọc
theo đường màu đỏ của mô hính khi kìch thước nam châm thay đổi (hính 3.6a). Kết
quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính 9 nam châm có kìch
thước 10×10 µm2 được thể hiện trên hính 3.7. Chúng ta có thể thấy năng lượng từ
trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm lớn hơn các vị trì giữa 2 nam châm tại
khoảng cách d < 3 µm. Tại vị trì cao hơn d > 3 µm năng lượng từ trường ở trung tâm
của 4 nam châm trở lên nhỏ nhất.


15

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 3.8 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm, kích thước 20×20 µm2

được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau, b) kích thước
30×30 µm2, c) kích thước 50×50 µm2, d) kích thước 100×100 µm2.
Với các nam châm có kìch thước 20×20 µm2 (hính 3.8a) chúng ta có thể thấy
cường độ từ trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung
quanh tại khoảng cách d < 6 µm. Tại vị trì cao hơn d >6 µm từ trường ở trung tâm
của 4 nam châm lại trở lên nhỏ nhất.
Đối với nam châm có kìch thước 30×30 µm2 (hính 3.8b) cường độ từ trường tại
vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung quanh tại khoảng cách d <
10 µm. Tại vị trì cao hơn d > 10 µm từ trường ở trung tâm của 4 nam châm lại trở lên
nhỏ nhất. Khi ở vị trì quá xa bề mặt nam châm d >50 µm thí từ trường sẽ giảm về 0.


16

Khi kìch thước nam châm là 50×50 µm2 (hính 3.8c), năng lượng từ trường tại
vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung quanh tại khoảng cách d <
20 µm. Tại vị trì cao hơn d > 20 µm từ trường ở trung tâm của 4 nam châm lại trở lên
nhỏ nhất.
Đối với nam châm có kìch thước 100×100 µm2 (hính 3.8d) năng lượng từ
trường tại vị trì trung tâm giữa 4 nam châm là lớn hơn các vị trì xung quanh tại
khoảng cách d < 40 µm. Tại vị trì cao hơn d > 40 µm từ trường ở trung tâm của 4
nam châm lại trở lên nhỏ nhất.
Vậy khi tăng kìch thước của nam châm thí vị trì mà các phần tử sinh học tập
trung ở giữa 4 nam châm sẽ xa bề mặt nam châm hơn.
3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày nam châm lên sự phân bố của từ trường
bề mặt
Kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính 9 nam châm
có kìch thước 10×10 µm2 khi độ dày nam châm là 4 µm được thể hiện trên hính 3.7.
Hính 3.9 là kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính 9 nam
châm có kìch thước 10×10 µm2 khi độ dày nam châm được tăng lên là 6 µm (hính

3.9a), 10 µm (hính 3.9b), 15 µm (hính 3.9c).
Chúng ta có thể thấy khi chiều dày của các nam châm là 6 µm thí tại khoảng
cách d > 2 µm năng lượng từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm, tức là tại
khoảng cách d > 2 µm các phần tử sinh học sẽ tập trung tại vị trì giữa 4 nam châm.
Khi độ dày của nam châm tăng lên 10 µm thí năng lượng từ trường tại vị trì giữa 4
nam châm đạt cực tiểu tại khoảng cách d = 1 µm, khi độ dày của nam châm tăng lên
15 µm thí từ trường tại vị trì giữa 4 nam châm đạt cực tiểu tại khoảng cách d = 1 µm.
Vậy là khi tăng độ dày của nam châm ta thấy khoảng cách mà từ trường đạt cực tiểu
tại vị trì giữa 4 nam châm ở gần bề mặt nam châm hơn. Nghĩa là khi tăng chiều dày
của các nam châm thí các phần tử sinh học sẽ tập trung chủ yếu tại vị trì giữa 4 nam
châm ngay cả khi chúng ở sát bề mặt nam châm.

(a)


17

(b)

(c)
Hình 3.9 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 10×10 µm2,
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.


18

Hình 3.2 Hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 10×10 µm 2 được
khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d = 5 µm với độ dày khác nhau
Hính 3.10 là kết quả khảo sát từ trường dọc theo đường màu đỏ của mô hính 9

nam châm ở khoảng cách d = 5 µm khi thay đổi độ dày của nam châm. Chúng ta có
thể thấy tại cùng một khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt nam châm thí từ trường giữa
các nam châm tăng khi tăng độ dày của nam châm, ví khi chiều dày của các nam
châm tăng thí cường độ từ trường tăng, các đường sức từ tồn tại ở những khoảng cách
xa bề mặt nam châm hơn. Như vậy khi tăng chiều dày của nam châm thí chúng ta có
thể bắt giữ được các phần tử sinh học có kìch thước lớn hơn hoặc khối lượng riêng
lớn hơn.
Tương tự đối với mô hính 9 nam châm vuông có kìch thước là 50×50 µm 2. Khi
tăng chiều dày của các nam châm thí từ trường trên bề mặt nam châm tăng, vùng
năng lượng từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm cũng giảm xuống gần bề
mặt nam châm hơn khi chiều dày tăng. Khi chiều dày nam châm là 4 µm thí tại
khoảng cách d > 20 µm năng lượng từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm
(hính 3.8c), khi chiều dày bằng 10 µm thí với d > 15 năng lượng từ trường đã đạt cực
tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm (hính 3.11a). Khi chiều dày bằng 30 µm và 50 µm thí
từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm khi d > 10 µm và d > 5µm (hính
3.11b, hính 3.11c).

(a)


19

(b)

(c)
Hình 3.11 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.
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách giữa các nam châm lên sự phân bố
của từ trường bề mặt

Hính 3.12a là mô hính 9 nam châm có kìch thước 10×10 µm2, chiều dày của
nam châm là 4 µm, khi khoảng cách giữa các nam châm là 1 µm. Trong hính 3.12b
chúng ta có thể thấy khi khoảng cách d > 7 µm trên bề mặt nam châm sẽ không còn
tồn tại các vùng từ trường biến thiên. Trong hính 3.12c ta thấy với d < 7 µm thí từ
trường tại vị trì giữa 4 nam châm luôn đạt cực tiểu, vậy là các phần tử sinh học sẽ bị
bắt giữ tập trung ở vị trì giữa 4 nam châm tại khoảng cách d < 7 µm. Khi khoảng
cách giữa các nam châm quá nhỏ như vậy thí việc bắt giữ các phần tử sinh học sẽ trở
lên rất khó khăn ví vùng từ trường biến thiên chỉ tồn tại ở khoảng cách rất ngắn trên
bề mặt nam châm.


20

(a)

(b)

(c)
Hình 3.12 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm2,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.
Với mô hính 9 nam châm có kìch thước 10×10 µm2, chiều dày của nam châm
là 4 µm, khi khoảng cách giữa các nam châm là 5 µm (hính 3.13a). Khi khảo sát theo
đường màu đen (hính 3.13b) ta thấy ở khoảng cách d > 15 µm trên bề mặt nam châm
sẽ không còn tồn tại các vùng từ trường biến thiên. Hính 3.13c cho thấy khi d < 12
µm thí từ trường tại vị trì giữa 4 nam châm luôn đạt cực tiểu, vậy là các phần tử sinh
học sẽ bị bắt giữ tập trung ở vị trì giữa 4 nam châm tại khoảng cách d < 12 µm.

21

(a)

(b)

(c)
Hình 3.3 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm2,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.


22

(b)
(a)

(c)
Hình 3.4 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm2,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.
Mô hính 9 nam châm có kìch thước 10×10 µm2, chiều dày của nam châm là 4
µm, khoảng cách giữa các nam châm là 10 µm được thể hiện trên hính 3.6a. Kết quả
khảo sát từ trường dọc theo đường màu đen được thể hiện trên hính 3.6b và kết quả
khảo sát theo đường màu đỏ được thể hiện trên hính 3.7. Chúng ta thấy khi khoảng

cách d > 3 µm thí từ trường đạt cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm. Khi khoảng cách
giữa các nam châm tăng lên 15 µm thí tại khoảng cách d > 5 µm từ trường mới đạt
cực tiểu tại vị trì giữa 4 nam châm. Vậy là khi khoảng cách giữa các nam châm càng
xa thí vị trì mà từ trường giữa 4 nam châm đạt cực tiểu càng xa bề mặt nam châm.
Hính 3.15 cho thấy ở cùng khoảng cách d = 5 µm thí từ trường tại vị trì giữa
các nam châm sẽ giảm khi khoảng cách giữa các nam châm tăng, ví khoảng cách giữa
các nam châm càng xa thí ảnh hưởng của từ trường do các nam châm tạo ra lên các
nam châm cạnh nó càng ìt.