luận văn nghiên cứu một số tính chất cơ bản của hệ hạt nano từ bằng phương pháp mô phỏng trên máy tính

Trần Nguyên Lân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HỆ HẠT NANO TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trần Hoàng Hải Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO 2 Lời cảm ơn Đầu tiên cho tôi đợc cảm ơn ĐH Công Nghệ - ĐHQG H Nội v PTN Công Nghệ Nano - ĐHQG Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi đợc học tập v hon thnh luận văn ny. Tôi cũng xin đợc chân thnh cảm ơn các Thầy Cô giáo đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt hai năm học qua. Đặc biệt cho tôi đợc tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Trần Hong Hải. Thầy không chỉ trực tiếp hớng dẫn tôi m còn tạo nhiều cơ hội để tôi đợc nghiên cứu khoa học. Tôi xin đợc ghi nhớ đến Thầy nh l ngời Thầy đầu tiên trên con đờng nghiên cứu khoa học của mình. Cho tôi đợc gởi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Mạnh Tuấn, Viện phó Viện Vật lý Tp Hồ Chí Minh kiêm Trởng phòng Vật liệu mới v vật liệu cấu trúc nano, Viện Vật lý Tp Hồ Chí Minh. Thầy đã quan tâm v tạo những điều kiện tốt nhất để tôi hon thnh luận văn ny. Cuối cùng, tôi xin chân thnh cảm ơn những đồng nghiệp, bạn bè v gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nh thực hiện luận văn. Tp Hồ Chí Minh, ngy 25 tháng 02 năm 2010 Tác giả luận văn Trần Nguyên Lân 3 Nội dung Trang Bảng chữ cái viết tắt 5 Mở đầu 6 Chơng 1- Tổng quan 8 1.1. Mô hình hóa v mô phỏng trong khoa học vật liệu 8 1.1.1. ý tởng cơ bản của việc mô hình hoá v mô phỏng 8 1.1.2. Xây dựng mô hình toán học từ những bức tranh hiện tợng 9 1.1.3. Một số lu đồ mô tả quá trình mô hình hóa v mô phỏng 9 1.1.4. Phân loại mô hình 11 1.2. Phơng pháp Monte Carlo 11 1.2.1. Giới thiệu 11 1.2.2. Phơng pháp Monte Carlo lấy mẫu đơn giản 12 1.2.3. Phơng pháp Monte Carlo lấy mẫu quan trọng - thuật toán Metropolis 12 1.3. Khái niệm v tính chất cơ bản của hạt nano từ 15 1.3.1. Sự phân chia domain trong vật liệu sắt từ 15 1.3.2. Hạt đơn domain 16 1.3.3. Sự từ hóa của hạt nano từ 17 1.3.4. Tính chất của hạt nano từ tại nhiệt độ hữu hạn 19 1.3.5. Một số phép đo xác định tính chất của hệ hạt nano từ 24 1.3.6. Sự tơng tác giữa những hạt nano từ 25 1.4. ứng dụng của hạt nano từ trong y sinh học 27 1.4.1. Tách từ 27 1.4.2. Truyền dẫn thuốc 28 1.4.3. Nâng thân nhiệt cục bộ 29 1.4.4. Tăng tính tơng phản cho MRI 30 Chơng 2- mô hình v mô phỏng 33 2.1. Năng l ợng của hệ hạt nano từ 33 2.2. Phơng pháp mô phỏng 35 2.2.1. Hệ tọa độ 35 2.2.2. Tính toán năng lợng lỡng cực 35 2.2.3. Thuật toán mô phỏng 36 2.2.4. Lựa chọn thông số 38 Chơng 3- kết quả v thảo luận 39 4 3.1. Nhiệt độ khóa của hệ hạt nano từ 39 3.1.1. Độ từ hóa trong quá trình zero-field-cooled 39 3.1.2. Sự phân bố ro thế trong hệ hạt nano từ 40 3.1.3. Sự tán sắc của mẫu 41 3.1.4. Tơng tác tĩnh từ giữa các hạt 42 3.1.5. Sự phụ thuộc của đỉnh ZFC vo từ trờng ngoi 43 3.2. Chu trình từ trễ của hệ hạt nano từ 47 3.2.1. ảnh hởng của nhiệt độ 47 3.2.2. Sự tán sắc của mẫu 48 3.2.3. Tơng tác tĩnh từ giữa các hạt 49 3.3. Tính chất tập hợp của hệ hạt nano từ 51 Kết luận v hớng nghiên cứu tơng lai 53 Ti liệu tham khảo 55 Phụ lục: Các bi báo liên quan đến luận văn 59 5 B¶ng ch÷ c¸i viÕt t¾t STT Ch÷ viÕt t¾t NghÜa tiÕng Anh NghÜa tiÕng ViÖt 1 2 3 4 5 6 DDI FC MCM MNPs SPM ZFC Dipolar Interaction Field-Cooled Monte Carlo method MagneticNanoparticles Superparamagnetism Zero-Field-Cooled T−¬ng t¸c l−ìng cùc Lμm l¹nh cã tõ tr−êng Ph−¬ng ph¸p Monte Carlo Nh÷ng h¹t nano tõ Siªu thuËn tõ Lμm l¹nh kh«ng tõ tr−êng 6 Mở đầu Cùng với xu hớng phát triển chung của khoa học, ngnh vật liệu ngy cng góp phần to lớn vo nhiều mặt trong đời sống của con ngời. Không những chế tạo những công cụ hiện đại giúp đỡ con ngời m còn mở ra những khả năng mới trong việc trị bệnh cũng nh bảo vệ môi trờng. Vì vậy việc nghiên cứu khoa học vật liệu, cả lý thuyết v thực nghiệm, mang tính chất cấp bách. Một trong số những vật liệu m công nghệ tiên tiến đem lại đó l vật liệu từ cấu trúc nano bao gồm hạt nano từ v mng mỏng từ. Thật ra, vật liệu từ đã đợc ứng dụng từ rất sớm v hiện nay vật liệu từ cấu trúc nano hứa hẹn những ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Những hệ hạt nano từ có thể bao gồm những hạt nano từ đợc phân bố trong các môi trờng nh chất rắn (granular solids) hoặc trong chất lỏng (magnetic fluid). Các môi trờng ny có thể l cách điện hoặc không cách điện, tinh thể hoặc vô định hình v có thể có vi pha khác nhau của vật liệu. Theo đó, tính chất vật lý của hệ hạt nano từ có khả năng đợc điều chỉnh để tùy vo mục đích ứng dụng hoặc nghiên cứu. ở nớc ta hiện nay, việc nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nano đợc thực hiện bởi một số nhóm. Hầu hết các nghiên cứu chú trọng vo vấn đề ứng dụng của hạt nano từ, trong khi đó những tính chất cơ bản vẫn cha đợc tìm hiểu một cách sâu sắc. Do vậy chúng tôi tiến hnh hnh nghiên cứu những tính chất cơ bản của hệ hạt nano từ bằng phơng pháp mô phỏng trên máy tính. Trên thế giới, trong nhiều năm gần đây, các nh khoa học đã nỗ lực nghiên cứu nhằm đa ra một lý thuyết tổng quát cho hệ hạt nano từ bao gồm cả ảnh hởng của tơng tác v sự tán sắc. Những mô hình ny chỉ dừng lại ở trờng hợp mẫu loãng [21,43] hoặc tơng tác yếu [1,21,24]. Gần đây, dựa trên phơng pháp mô phỏng Monte Carlo, rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra sự thăng giáng nhiệt của hệ hạt nano từ [10,15], hoặc ảnh hởng của tơng tác mạnh lên tính chất của hệ hạt nano từ [3,10,12,16,22,23,27,40,41,42,45]. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cha đợc sáng tỏ nh l sự phụ thuộc của nhiệt độ khóa vo trờng thấp, cũng nh ảnh hởng liên kết của sự tán sắc v tơng tác tĩnh từ giữa các hạt lên tính chất từ trễ của hệ. Đây chính l lý do vì sao chúng tôi tập trung nghiên cứu hai vấn đề ny. Bi luận văn gồm bốn chơng, (i) trong chơng một, chúng tôi sẽ giới thiệu sơ lợc về ngnh khoa học vật liệu tính toán, mặc dù còn khá non trẻ so với lý thuyết v thực nghiệm nhng tính toán số góp phần không nhỏ vo sự phát triển chung của khoa học vật liệu, đồng thời trong chơng ny chúng tôi đề cập đến phơng pháp Monte Carlo, một phơng pháp rất hữu hiệu v thờng đợc sử dụng trong việc nghiên cứu hệ nano từ. Một số vấn đề cơ bản v ứng dụng của hệ 7 hạt nano từ trong y sinh học cũng đợc tóm tắt trong chơng ny. (ii) Chơng hai, chúng tôi đa ra mô hình chi tiết v quá trình tính toán, chơng ny rất quan trọng bởi vì nó ảnh hởng trực tiếp đến ý nghĩa vật lý cũng nh kết quả mô phỏng. (iii) Trong chơng ba, chúng tôi sẽ thảo luận về những kết quả đã thu đợc, những kết quả mô phỏng của chúng tôi đợc so sánh với những kết quả thực nghiệm cũng nh tiên đoán tính chất của hệ hạt nano từ. Tất cả các kết quả ny đều đợc giải thích rõ rng. (iv) Cuối cùng, một số vấn đề chính yếu của luận văn cũng nh những dự định nghiên cứu trong tơng lai đợc tóm tắt trong phần kết luận. 8 Chơng 1 - TổNG QUAN 1.1. Mô Hình hóa V Mô Phỏng Trong Khoa Học Vật Liệu Trong phần chúng ta sẽ sơ lợc một số vấn đề cơ bản của khoa học vật liệu tính toán. Nh chúng ta thấy trên hình 1.1, mô phỏng máy tính l một mắc xích không thể thiếu trong khoa học vật liệu hiện đại. Hình 1.1. Sự liên hệ giữa thực nghiệm, lý thuyết v mô phỏng máy tính trong khoa học vật liệu hiện đại. 1.1.1. ý tng c bn ca việc mô hình hoá v mô phỏng Mc ích chung ca khoa hc l tìm hiu v iu khin th gii vt cht. Tuy nhiên, có rt nhiu vn không th quan sát mt cách y hoc không th hiu thu v iu khin nu không có tru tng hóa khoa hc. Tru tng hóa khoa hc có nghĩa l thay th nh ng phn ca th gii thc di s xem xét bng mt mô hình. Quá trình thit k nhng mô hình c xem nh l nguyên lý tng quát v c bn nht ca vic mô phng. Nó mô t phng pháp khoa hc ca vic a ra mt s bt chc n gin vi h thc m vn bo tn nhng c tính quan trng ca h thc ó. Nói cách khác, mt mô hình mô t mt h thc bng cách s dng mt cu trúc tng t nhng n gin hn. Nhng mô hình tru tng nh vy có th xem nh l im bt u c bn ca lý thuyt. Tuy nhiên, cần phi nhn mnh rng không có s tn ti thng nht hon ton gia nhng mô hình v h th c. Hay nói cách khác mi mô hình không th bao gm mt cách y nhng tính cht ca mt h thc. V iu ny cng úng hn trong khoa hc vt liu, bi vì nó bao gm rt nhiu nhng kích thc v c ch khác nhau. Thực nghiệm Lý thuyết Mô p hỏn g máy tính 9 1.1.2. Xây dựng mô hình toán hc từ những bức tranh hiện tợng Trớc khi đa ra những phơng pháp giải số, những nh khoa học tính toán phải đa ra những mô hình toán học vừa phù hợp với những tính chất đã quan sát từ thực nghiệm, vừa có khả năng giải đợc. Một mô hình toán học sau khi đợc xây dựng có thể áp dụng cho những trờng hợp với những thông số v điều kiện khác nhau. V để xây dựng một mô hình toán học từ những bức tranh hiện tợng cần phải thực hiện những bớc xác định (hoặc lựa chọn) các vấn đề sau: 1. Biến độc lập l những biến đợc lựa chọn tự do: thời gian v không gian. 2. Biến trạng thái l hm của biến độc lập: nhiệt độ, nồng độ, độ dịch chuyển, 3. Phơng trình động học l phơng trình mô tả sự thay đổi tọa độ của những chất điểm m không xem xét đến ảnh hởng của lực tác dụng vo nó: phơng trình tính sức căng, phơng trình mô tả sự quay, phơng trình chuyển động, 4. Phơng trình trạng thái l phơng trình độc lập đờng đi v mô tả trạng thái thật sự của vật liệu thông qua những biến trạng thái. Những phơng trình trạng thái vi cấu trúc thờng xác định tính chất vật liệu tơng ứng với sự thay đổi bên trong hoặc bên ngoi trong giá trị của biến trạng thái. Tức l phơng trình trạng thái đặc trng cho vật liệu. 5. Phơng trình tiến triển cấu trúc l phơng trình phụ thuộc đờng đi v mô tả sự thay đổi của vi cấu trúc thông qua sự thay đổi của biến trạng thái (ngợc với phơng trình trạng thái). 6. Những thông số vật lý l những thông số cho phép xác đinh biến trạng thái. Những thông số ny phải có ý nghĩa vật lý v tuân theo thực nghiệm hoặc lý thuyết. 7. Điều kiện biên v điều kiện đầu l những giá trị để giới hạn bi toán. 8. Thuật giải số hoặc phơng pháp phân tích số dùng để giải những phơng trình trên. Phải l thuật toán tối u nhất v cho kết quả xấp xỉ tốt nhất. 1.1.3. Một số lu đồ mô tả quá trình mô hình hóa v mô phỏng Nh đã nói, mục đích của khoa học vật liệu tính toán l để tìm hiểu thế giới vật chất nhờ vo những tính toán. Theo đó, có rất nhiều lu đồ thuật tóan đa ra nhằm mô tả một cách tổng quát nhất ý nghĩa của việc mô phỏng [7]: mô hình Asby (1992), mô hình Preziosi (1995), mô hình Bunge (1997), mô hình biến trạng thát tổng quát (1998). Trong số đó, chúng tôi sẽ đề cập đến hai lu đồ thông dụng nhất nh bên dới. 10 a, Lu đồ của Bellomo and Preziosi (1995) b. Lu đồ theo cách tiếp cận biến trạng thát tổng quát (1998) A: Quan sát v đo đạc hiện tợng của hệ vật lý B1: Phạm vi của những biến độc lập B2: Lựa chọn những biến trạng thái B3: Định nghĩa những thông số C: Xây dựng mô hình toán học D: Phân tích mô hình E: Xem xét tính hợp lệ của mô hình Có/Không Mô phỏng có hệ thống Xây dựng mô hình mới Cách tiếp cận mô hình: Khởi đầu (ab- initio), hiện tợng, khám phá, kinh nghiệm Mô hình toán học: Biến độc lập Biến phụ thuộc (biến trạng thái) Phong trình trạng thái Phơng trình tiến triển cấu trúc Phơng trình động học Thông số Mô phỏng: Điều kiện biên v điều kiện đầu Thuật toán Nghiệm [...]... 32 Chơng 2 mô hình v mô phỏng Quá trình mô phỏng, nói một cách đơn giản, l quá trình tính toán những đại lợng vật lý của hệ với mục đích cực tiểu hóa năng lợng của hệ Theo đó, đầu tiên chúng ta sẽ thảo luận về năng lợng của hệ hạt nano từ Từ hm năng lợng, việc đa ra một mô hình tối u nhất để mô phỏng tính chất của hệ cũng hết sức quan trọng, nó liên quan đến thời gian cũng nh những sai số của các giá... vậy nó có một ảnh hởng rất yếu đến hệ hạt nano từ, đặc biệt l trong những hệ có các hạt tách biệt rõ rng Ngợc lại, các moment từ của hạt nano từ có biên độ lớn hơn nhiều so với các moment từ nguyên tử (MNP ~ 103B ~ 103atom ) nên ảnh hởng của tơng tác tĩnh từ trở nên quan trọng trong hệ hạt nano từ b, Tơng tác lỡng cực giữa những hạt Bởi vì DDI l tơng tác quan trọng nhất trong hệ hạt nano từ nên vấn... trình (1.26) V trờng khử từ trong hệ đơn sắc với dị hớng ngẫu nhiên có giá trị cho bởi: Hc(T) = 0.48Ha[1 - (T/Tb)0.77] (1.41) 1.3.5 Một số phép đo xác định tính chất của hệ hạt nano từ a, Độ từ hóa field - cooled (FC) v zero - field - cooled (ZFC) Đây l một quá trình thực nghiệm để nghiên cứu sự phụ thuộc của độ từ hóa vo nhiệt độ v qua đó thể hiện tính siêu thuận từ của hệ hạt nano từ Nó đợc thực hiện... trong hệ có tơng tác mạnh, sự đảo độ moment từ có tính chất tập thể (collective behavior) Hình 1.7: Những trạng thái cơ bản của những hạt nano từ với hình dạng elliptic dới tác dụng của lực tĩnh từ 1.4 ứng dụng của hạt nano từ trong y sinh học Hạt nano từ ngy cng đợc ứng dụng nhiều trong kỹ thuật: linh kiện điện tử, ghi từ, sensor, ứng dụng trong y học v sinh học [24,25,33] Do khuôn khổ của một bi luận. .. chính của mô phỏng máy tính l để giải thích, tiên đoán, v tối u thực nghiệm nên việc lựa chọn những thông số phải phù hợp với những thông số đợc tìm thấy trong thực nghiệm 2.1 năng lợng của hệ hạt nano từ Việc đầu tiên của chúng ta l xem xét năng lợng của hệ, đây l bớc hết sức quan trọng để có thể mô tả chính xác những hiện tợng xảy ra Nh đã thảo luận ở chơng một, hệ hạt nano từ bao gồm những hạt có... khác nhau của trờng ứng dụng Cuối cùng, chúng ta chú ý rằng trong mô hình SW, ảnh hởng của nhiệt độ l bỏ qua (T = 0), vì vậy sự cực tiểu hóa năng lợng thông qua chiều moment từ của hạt l một điều kiện hon ton đầy đủ để xác định độ từ hóa phụ thuộc trờng tại vị trí cân bằng Tính chất từ của hạt đơn domain tại nhiệt độ hữu hạn đợc thảo luận trong phần tiếp theo 1.3.4 Tính chất của hạt nano từ tại nhiệt... những hạt có kích thớc, những hạt ny có thể đợc tạo ra hoặc lắng đọng trên một đế (hệ 2D) hoặc đợc huyền phủ trong một chất lỏng mang (3D) tùy vo yêu cầu ứng dụng Vì mục đích của chúng ta l xem xét tính chất của hệ hạt nano từ ứng dụng trong y sinh học nên chúng ta sẽ quan tâm đến hệ hạt huyền phủ trong chất lỏng mang Khi ấy, năng lợng đầy đủ của hạt thứ i trong hệ gồm N hạt sẽ l [12,21] E(i) = EJ (i)+... phơng pháp Monte Carlo l một phơng pháp hữu hiệu nhất để mô tả chính xác hệ thực 34 Sau đây, chúng ta sẽ thảo luận về phơng pháp mô phỏng sử dụng năng lợng (2.2) 2.2 phơng pháp mô phỏng 2.2.1 Hệ tọa độ Đầu tiên, chúng ta sẽ thảo luận về hệ tọa độ sử dụng trong quá trình mô phỏng Chúng ta giả thiết rằng trờng ngoi hớng theo trục Oz, trục dễ của hạt hợp với trờng ngoi một góc Các vector moment từ đợc... giản nhng không mất tính tổng quát, trong mục ny chúng ta xem xét trờng hợp tơng tác giữa những hạt đơn domain l yếu v có thể bỏ qua Những tơng tác ny sẽ đợc thảo luận trong phần tiếp theo 19 a, Tính chất siêu thuận từ của hệ hạt nano từ v nhiệt độ khóa Chúng ta xem xét một hệ của MNPs đồng nhất có dị hớng đơn trục Năng lợng trên một hạt l U = K1Vcos2, với l góc giữa moment từ của hạt v trục dễ Ro thế... thức (1.19) có tính chất ớc lợng, nên trong một số trờng hợp (tùy thuộc vo vật liệu) nó đợc hiệu chỉnh bằng thực nghiệm 1.3.3 Sự từ hóa của hạt nano từ Độ từ hóa (M) của vật liệu sắt từ khối (FM), bao gồm nhiều vách domain, thay đổi dới tác dụng của từ trờng ngoi (H), quá trình ny gọi l kỹ thuật từ hóa Tuy nhiên giá trị của M không phải l hm duy nhất của H v trạng thái của mẫu trớc khi từ hóa l hết sức