Ảnh hưởng của đường kính và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của dây nano từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Thị Thái ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH VÀ TỶ SỐ HÌNH DẠNG LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA DÂY NANO TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014... Để t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Thái

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG KÍNH VÀ TỶ SỐ HÌNH DẠNG LÊN TÍNH

CHẤT TỪ CỦA DÂY NANO TỪ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ TUẤN TÚ

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn của

em là TS Lê Tuấn Tú, người đã động viên, tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này Thầy đã hướng dẫn em nghiên cứu về vấn đề thiết thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý nhiệt độ thấp, cũng như các thầy cô trong khoa Vật lý đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn tới anh Lưu Văn Thiêm , người đã hướng dẫn, hỗ trợ

em trong các bước tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu tài liệu

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn bên em, cổ vũ và động viên em những lúc khó khăn để em có thể vượt qua

và hoàn thành tốt luận văn này

Hà Nội, ngày 6 tháng 1 năm 2014

Học viên Nguyễn Thị Thái

1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính 3

1.1.1 Dây nano tạo mảng và phân tán 5

1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp 6

1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính 7

1.2.1 Dị hướng hình dạng 7

1.2.1.1 Hình phỏng cầu thon dài (c > a = b) 9

1.2.1.2 Elipxoit thon ( c ≫ a > b) 10

1.2.1.3 Hình phỏng cầu dẹt(c =b > a) 11

1.2.1.4 Ảnh hưởng của đường kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của dây nano 12

1.2.2 Chu trình từ trễ 15

1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính 16

1.3.1 Phân phối gen 16

1.3.2 Phân tách các phân tử sinh học 18

1.3.3 Ghi từ vuông góc 19

1.3.4 Tăng mật độ bộ nhớ bằng các dây nano 20

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Mô hình tính toán 23

2.1.1 Dây nano từ tính cô lập 23

2.1.2 Mảng dây nano từ tính 24

2.2 Chế tạo dây nano bằng phương pháp điện hóa 25

2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28

2.4 Hiển vi điện tử quét (SEM) 30

2.5 Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) 32

2.6 Phổ năng lượng tia X (EDS) 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả tính toán từ mô hình lý thuyết 37

3.1.1 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano từ tính 37

3.1.2 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính 38

3.2 Các kết quả thực nghiệm 39

3.2.5.1 Kết quả đo từ kế mẫu rung 43

3.2.5.2 Ảnh hưởng của tỷ số hình dạng lên trường kháng từ của dây nano 46

3.2.5.3 Kết quả tính toán năng lượng dị hướng 47

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

Hình 1.1 Hình ảnh về các loại dây nano A) dây 1 đoạn, b) dây 2 đoạn, c) dây nhiều

đoạn, d) dây đã được chức năng hóa để ứng dụng 4

Hình 1.2 (a) dây nano ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) dây nano co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm 5

Hình 1 3 (a) dây nano ni một đoạn ; (b) dây nano ni-au hai đoạn ;(c) dây nano nhiều lớp co-cu 6

Hình 1.4 Ba hình elipxoit đặc trưng: hình phỏng cầu thon dài (c > a =b), hình elipxoit thon (c » a > b), hình phỏng cầu dẹt (c = b > a) 8

Hình 1.5 Mối quan hệ giữa các hằng số trường khử từ đã chuẩn hóa (na/4π và nc/4π) và tỷ số (m=c/a) của một vật phỏng cầu thon dài có thể được tìm thấy nếu tỷ số nhỏ hơn 10, na/4π ≈ 0.5 và nc/4π ≈ 0 9

Hình 1.6 Sự thay đổi của lực kháng từ theo đường kính 12

Hình 1.7 Những chu trình trễ của một mảng dây nano ni Đường kính của các dây nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1 µm 15

Hình 1.8 Chức năng hóa các dây nano au-ni 1 Dây nano được ủ với aedp Đoạn ni liên kết với nhóm muối của axit cacbonxylic 2 Plasmit liên kết với nhóm amin có thêm một proton của aedp 3 Plasmit bất động bề mặt được cô đọng bằng cacl2 4 Đoạn au liên kết chọn lọc với transferring hodaminetagg 17

Hình 1.9 (a) sơ đồ phân tách các protein his đã được đánh dấu từ các protein chưa được đánh dấu; (b) phân tách các kháng thể poly – his từ các kháng thể khác 19

Hình 1.10 (a) ghi từ song song; (b) ghi từ vuông góc 20

Hình 1.11 Mô hình lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ "racetrack" 21

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa chế tạo dây nano 27

Hình 2.2 Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể 28

Hình 2.3 Nhiễu xạ tia x góc nhỏ 28

Hình 2.7 Phổ tán sắc năng lượng tia x (EDS) 36

Hình 3.1 Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano 37

Hình 3.2 Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính 38

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của mật độ dòng theo thời gian 39

Hình 3.4 Hình ảnh sem của các dây nano conip có đường kính khác nhau:a) 100 nm, b) 200 nm, c) 400 nm và d) 600 nm 40

hình 3.5 Kết quả nhiễu xạ tia x của các dây nano conip với đường kính 100 nm 41

Hình 3.6 Phân tích quang phổ eds của dây nano conip 42

Hình 3.7 Chu trình từ trễ của dây nano conip đo ở nhiệt độ phòng với đường kính khác nhau 43

Hình 3.8 Sự phụ thuộc của tỉ số Mr/Ms vào đường kính 44

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của hc vào đường kính 45

Hình 3.10 Sự phụ thuộc của hc vào tỷ số hình dạng 46

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của năng lượng dị hướng ku theo đường kính 47

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của trường dị hướng theo đường kính dây nano 47

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… Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn các thiết bị với công nghệ micro trước đó

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 nhac iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lí cực nhanh… Trong y học,

để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ưng thư qua 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 bức xúc nhất đối với sức khỏe con 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 (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer) 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

Do sự ứng dụng kì diệu của công nghệ nano, tiềm năng kinh tế cũng như tạo ra sức mạnh về quan sự Vì lẽ đó hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi động

về phát triển và ứng dụng công nghệ nano 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 chế tạo các vật liệu nano

nano cũng đã được hình thành và đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, trong

đó nội dung chủ yếu là chế tạo các màng, dây nano từ tính bằng phương pháp lắng đọng điện hóa Phương pháp lắng đọng điện hóa có những ưu điểm hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, nhiệt độ cao, hoặc chân không cao, không tốn nhiều thời gian Sử dụng phương pháp này có thể chế tạo màng dễ dàng hay tổng hợp các dây nano nhiều đoạn bằng cách thay đổi các dung dịch phù hợp Về các

mô hình tính toán chủ yếu nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dạng và khoảng cách giữa các dây và tỷ số hình dạng của dây lên tính chất từ Để tìm hiểu về sự thay đổi tính chất từ của dây nano CoNiP khi thay đổi các yếu tố về đường kính và tỷ số hình dạng của các dây trong luận văn này sẽ đi sâu vào vấn đề: “Ảnh hưởng của đường kính và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của dây nano từ”

Nội dung của luận văn này đƣợc trình bày nhƣ sau:

Mở đầu

Chương 1 - Tổng quan về dây nano từ tính

Chương 2 - Các phương pháp nghiên cứu

Chương 3 - Kết quả và thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH

1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính

Công nghệ nano có ứng dụng rất lớn trong cuộc sống và là một công nghệ triển vọng ngay tại thời điểm hiện tại lẫn tương lai Thử tưởng tượng có những thiết bị nhỏ

cỡ nano có thể đi vào trong con người, tìm ra các bộ phận bị “ốm” và tuyệt hơn là góp phần làm bộ phận đó “khỏe” trở lại Công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây

ô nhiễm) và hiệu quả hơn các công nghệ khác Trong các lĩnh vực nghiên cứu về nano thì từ sinh học là lĩnh vực rất thú vị và đầy hứa hẹn Ví dụ, chế tạo các hạt nano từ tính dùng để thăm dò có lựa chọn và điều khiển các hệ sinh học Đây là lĩnh vực phát triển nhanh và có rất nhiều ứng dụng đã được phát triển như là phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu các chức năng của tế bào, cũng như rất nhiều ứng dụng tiềm năng

về y học và trị liệu Phần lớn các hạt từ được sử dụng có dạng hình cầu, thường bao gồm một lõi từ tính và lớp vỏ được chức năng hóa bởi một lớp hoạt chất sinh học để thỏa mãn mục đích y sinh Cũng giống như những ứng dụng của hạt từ tính đang trở nên ngày càng phổ biến trong các nghiên cứu về y học và công nghệ sinh học, sẽ rất thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện được nhiều chức năng khác nhau Ngoài các hạt nano từ tính,các dây nano từ tính cũng có khả năng thỏa mãn các mục đích trên Dây nano, cũng được gọi là thanh nano trong một vài ngữ cảnh, có cấu trúc dị hướng một chiều với những tỉ số hình dạng cao [2]

Để các hạt nano từ tính ứng dụng được trong y sinh, chúng ta cần phải kiểm soát chính xác về thành phần, hình dạng, kích thước, bề mặt và tính chất hóa học của hạt Ở góc độ này, dây nano có nhiều những ưu điểm và thuận lợi hơn Đặc biệt, các dây nano

từ tính sở hữu những tính chất rất độc đáo Như hình 1.1, cấu trúc và thành phần của

Hình 1.1 Hình ảnh về các loại dây nano a) dây 1 đoạn, b) dây 2 đoạn, c) dây nhiều

đoạn, d) dây đã được chức năng hóa để ứng dụng

Phần lớn các dây nano từ sử dụng trong y sinh là các hình trụ kim loại lắng đọng vào các khuôn xốp có các lỗ kích thước nano Bán kính của chúng có thể thay đổi từ 5

nm cho đến 500 nm, và chiều dài có thể đến 60 µm Các cấu trúc nhiều đoạn, giống như trên hình 1.1 (b) và (c) có sự linh hoạt đặc biệt đối với việc điều khiển tính chất từ, cũng như hình dạng, thành phần của từng đoạn và sự kết nối giữa các lớp có thể điều chỉnh một cách chính xác [9,30] Hơn nữa, như trên hình 1.1(d) cho thấy, dây đã được chức năng hóa , tính năng này có thể sử dụng để cải thiện khả năng hoạt động của dây nano từ tính trong các ứng dụng y sinh

Cả dây nano từ một đoạn và dây nano từ nhiều đoạn đều được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và các ứng dụng thực tế Rất nhiều tính chất từ quan trọng,

ví dụ như nhiệt độ Curie, trường khử từ, trường bão hòa, từ độ bão hòa, độ từ dư và sự

định hướng của trục dễ từ hóa, có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi đường kính, chiều dài và thành phần cấu tạo của các dây [30]

1.1.1 Dây nano tạo mảng và phân tán

Trong phần lớn các ứng dụng, dây nano ở hai dạng mảng hoặc phân tán Hình 1 2(a) là ví dụ cho hình ảnh mảng dây nano Ni với đường kính 200 nm Hình 1.2(b) cho thấy hình ảnh của dây nano Co phân tán với đường kính khoảng 70nm Trong các ứng dụng y sinh, dây nano phân tán thường nằm lơ lửng trong dung dịch [ 18,19]

Hình 1.2 (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) Dây nano Co bị

phân tán có đường kính khoảng 70nm

1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp

Hình 1 3 (a) Dây nano Ni một đoạn ; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn ;(c) Dây nano

nhiều lớp Co-Cu

Để thỏa mãn yêu cầu thực hiện nhiều chức năng một lúc, dây nano cấu trúc nhiều đoạn đã được nghiên cứu và tính đa chức năng hóa của dây cũng được khảo sát

Hình 1.3(a) là ảnh một dây nano Ni một đoạn Dây nano một đoạn có thể chế tạo

từ nguyên tố kim loại, hợp kim hoặc oxit Hình 1.3(b) trình bày hình ảnh một dây nano hai đoạn Ni-Au Hình 1.3(c) trình bày hình ảnh dây nano nhiều lớp Co-Cu [6, 21]

1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính

1.2.1 Dị hướng hình dạng

Đối với vật liệu từ, khi hình dạng của chúng là hình elipxoit hay hình trụ sẽ dễ

bị từ hóa hơn so với hình dạng là hình cầu khi hướng từ trường ngoài dọc theo trục dài của vật Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì từ trường bên trong vật sinh ra một từ trường có tác dụng chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ Trường khử

từ Hd có tỷ lệ với giá trị từ độ bão hòa của Ms, nhưng có hướng ngược lại, được cho bởi:

Hd = -Nd Ms (1.1)

Trong đó hằng số trường khử từ Nd 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 có dạng elipxoit với các bán trục a, b, và c (c ≥ b ≥a), tổng của các hằng số trường khử từ trên 3 bán trục (Na,

Hình 1.4 Ba hình elipxoit đặc trưng: Hình phỏng cầu thon dài (c > a =b), hình

elipxoit thon (c » a > b), hình phỏng cầu dẹt (c = b > a)

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, elipxoit thon và hình phỏng cầu dẹt Sau đây, chúng ta thảo luận về các hằng số trường khử từ của 3 dạng elipxoit [30]

Hình phỏng cầu thon dài

Hình elipxoit thon

Hình phỏng cầu dẹt

1.2.1.1 Hình phỏng cầu thon dài (c > a = b)

Dây nano một thành phần (được cấu tạo bởi một chất) với mặt cắt hình tròn có

thể coi như một hình elipxoit thon dài [30] Hằng số trường khử từ của vật elipxoit

thon dài được cho bởi:

Hình 1.5 Mối quan hệ giữa các hằng số trường khử từ đã chuẩn hóa (N a /4π và N c /4π)

và tỷ số (m=c/a) của một vật phỏng cầu thon dài có thể được tìm thấy nếu tỷ số nhỏ

Trong một hình phỏng cầu thon dài, mối quan hệ giữa các hằng số trường khử từ

đã chuẩn hóa (Na/4π và Nc/4π) và tỷ số (m= c/a) có thể tính toán được dựa vào hai

phương trình trên, kết quả được biểu diễn trên hình 1.5 Một dây nano tỷ số cao có thể

được xem như một hình phỏng cầu thon dài tỷ số cao (m lớn) Dưới sự gần đúng này,

trục khó từ hóa vuông góc với trục của dây nano, hằng số trường khử từ của dây nano

theo phương này là Na = Nb = 2π; trong khi đó trục dễ từ hóa song song với trục của

dây nano, hằng số trường khử từ của dây nano theo phương này là Nc = 0 Vì vậy, sự

chênh lệch dạng năng lượng dị hướng của dây nano được viết theo 2 cách như sau:

Ku = ΔED = EDa – EDc = πMs2 (1.6)

Cần lưu ý rằng, để thông qua sự gần đúng hình trụ dài, tỷ số của các dây nano

phải lớn hơn 10 [24]

1.2.1.2 Elipxoit thon ( c ≫ a > b)

Một dây nano đã lắng đọng vào trong lỗ khuôn với tiết diện không phải hình

tròn có thể coi gần đúng như một elipxoit thon dài [30] Các hệ số khử từ 3 bán trục a,

b, c của elipxoit thon dài được cho bởi:

1.2.1.3 Hình phỏng cầu dẹt (c =b > a)

Một đoạn từ tính hình đĩa trong một dây nano nhiều đoạn có thể coi gần đúng như hình phỏng cầu dẹt [30] Các hằng số trường khử từ của một hình phỏng cầu dẹt được cho bởi:

Một đoạn từ tính trong dây nano nhiều đoạn thường có dạng hình đĩa Một đoạn

từ tính có thể xem như một hình phỏng cầu dẹt với tỷ số rất thấp Trục khó từ hóa song song với trục của dây nano nhiều đoạn và hằng số trường khử từ Na theo hướng này bằng 4π; trong khi đó trục dễ từ hóa vuông góc với trục của dây nano nhiều đoạn, hằng

số trường khử từ Nc = Nb theo hướng này bằng 0 Vì vậy, độ chênh lệch của các dạng năng lượng dị hướng được viết theo 2 cách như sau:

Ku = ΔED =EDa - EDc = - 2πMs2 (1.12)

Từ các giá trị giới hạn của hằng số trường khử từ, chúng ta có thể tìm được trường khử từ theo hai hướng (a hoặc c) và suy ra được năng lượng từ tĩnh

1.2.1.4 Ảnh hưởng của đường kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên tính chất từ của dây nano

Sự thay đổi lực kháng từ của dây nano theo một hàm của đường kính dây là một hiện tượng rất phức tạp, cần phải xét tới nhiều khả năng và tác động để giải thích hiện tượng này Tính chất nội tại chính quyết định lực kháng từ Hc bao gồm hình dạng của dây, từ trường tinh thể và từ trường dị hướng Ngoài ra trường khử từ sinh ra chủ yếu bới tương tác lưỡng cực Trong dây có tỷ số hình dạng cao, từ trường được xác định chính yếu bởi hình dạng dị hướng và trục từ dễ nằm dọc theo trục của dây Các tác giả

đã đưa ra sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính của dây Ni [2]

Hình 1.6 Sự thay đổi của lực kháng từ theo đường kính

Sự cạnh tranh giữa dị hướng từ tinh thể và dị hướng hình dạng dưới sự tác động của từ trường bên ngoài và cơ chế chuyển miền domain khi vượt quá giới hạn miền đơn có thể giải thích cho sự thay đổi của lực kháng từ theo đường kính trong hình 4

Dị hướng từ tinh thể thận lợi cho sự liên kết độ từ hóa theo những hướng tinh thể nhất đinh Chiều rộng vách domain điển hình của Ni là khoảng 28 nm, do đó trong dây có đường kính lớn có nhiều khả năng tạo thành cấu trúc đa miền trong một dây Sự xuất hiện của từ tính đa miềm làm giảm độ kháng từ thông qua hình thành vách miền

Mặt khác khi đường kính dây tăng làm khoảng cách giữa các dây giảm gây tăng tương tác từ tĩnh giữa các dây cũng làm giảm độ kháng từ của các dây Tương tác

từ tĩnh giữa các dây thường trở nên quan trọng khi khoảng cách giữa các dây dẫn được

so sánh với kích thước các dây nano Gần đây Vázquez và cộng sự đã nghiên cứu các tính chất từ của các mảng dây nano Ni chế tạo bằng khuôn mẫu nhôm (Al) Họ cho biết với đường kính tăng 30-83 nm hình dạng của đường cong từ hóa với trục dễ

quay theo hướng vuông góc với trục dây Với các mẫu đã nghiên cứu ở trên không tìm

thấy bất kỳ sự quay trục dễ nào Điều này có thể do mật độ chứa trên bề mặt của các dây nghiên cứu ở đây là thấp (1 × 107 cm-2) Mật độ dày đặc trong khuôn mẫu nhôm thường cao hơn 2-3 lần so với trường hợp của chúng tôi (1 × 1010 – 1 × 1011 cm−2 ), tức là các dây nano rất gần nhau do đó tương tác từ tĩnh có thể gây ra chuyển động quay của trục dễ [22]

Mảng dây nano Ni với độ dài khác nhau đã được chuẩn bị để nghiên cứu những đặc tính từ tính khi có hiệu ứng tương tác từ giữa các dây Kết quả cho thấy từ trường như một hàm của chiều dài cũng như khoảng cách giữa các dây Hc tăng theo tỉ số hình dạng tuy nhiên tốc độ tăng có xu hướng giảm khi tỉ số hình dạng đạt tới giá trị cao có thể được đoán là do cường độ ngày càng tăng của các tương tác từ tĩnh trong các dây đó Sự tăng chiều dài của dây cũng làm tăng giá trị Hc Tuy nhiên trong trường hợp của một mảng dây nano gần nhau, tương tác từ tĩnh đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất từ của chúng Nó đối kháng lại tính dị hướng hình

giảm khi dây được đưa lại gần nhau hơn Tính chất này được quan sát cho cả Hcvuông góc và Hc song song Với các gí trị khác nhau của tỷ số hình dạng thì Hc song song được tìm thấy là lớn hơn Hc vuông góc tuy nhiên sự khác biệt giảm khi tỷ số hình dạng L / d trở nên nhỏ hơn có thể là do việc giảm tính dị hướng của dây

Trong tài liệu sự ảnh hưởng của tỷ số hình dạng của dây lên trường kháng từ của dây kim loại được nghiên bởi nhiều nhóm trên thế giới Ví dụ nhóm Xue và Zeng tìm thấy rằng trong dây CoNi theo thứ tự Hc tăng theo tỉ lệ hình dạng cho tới giá trị lớn nhất đạt được, trên giá trị đó Hc không đổi [11, 13] Theo tính toán của Beleggie năng lượng tương tác giữa các dây có tỷ số hình dạng tùy ý là tương đối nhỏ khi tỷ số hình dạng thấp sau đó tăng nhanh cùng với sự tăng của tỷ số hình dạng và đạt bão hòa tại tỷ số hình dạng khoảng 50 [20]

Trong nghiên cứu khác Enscinas –Oropesa đã đo đạc phổ cộng hưởng sắt từ và vòng từ tễ của bó dây Ni với mật độ khác nhau của dây Họ thấy rằng trục từ hóa có thể chỉnh song song hoặc vuông góc với trục của dây bằng cách thay đổi mật độ của dây [4]

Điểm đáng quan tâm khác là tại các giá trị khác nhau về tỉ số hình dạng, lực kháng từ cao hơn khi mật độ dây nano thấp hơn Mô phỏng máy tính chỉ ra rằng sự tăng lên số lượng của dây làm tăng lên từ tính dó có tương tác giữa các dây nano tặng

và lực kháng từ do đó cũng giảm

1.2.2 Chu trình từ trễ

Chu trình từ trễ của một mẫu bất kỳ có mối quan hệ mật thiết với từ trường ngoài đặt vào Bằng tính toán lý thuyết, người ta có thể thu được chu trình từ trễ của mẫu bằng cách cực tiểu hóa năng lượng tự do khi có từ trường ngoài Chu trình từ trễ của một vật bị ảnh hưởng bởi các thông số như vật liệu, cấu trúc vĩ mô, hình dạng và kích thước của vật, hướng của từ trường và quá trình từ hóa của mẫu Đối với mảng các dây nano, tương tác giữa các dây nano đơn lẻ có thể ảnh hưởng tới chu trình từ trễ [30]

Hình 1.7 Những chu trình trễ của một mảng dây nano Ni Đường kính của các dây

nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1 µm

Các thông số thường 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 1.6, 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 momen từ trong vật hoàn toàn

Từ tính của một mảng dây nano chủ yếu được xác định bằng hai thông số Thứ nhất là tính chất từ của các dây nano đơn Thứ hai là tương tác giữa các dây nano đơn

có từ tính, liên quan tới các thông số hình học của mảng dây nano

1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính

Cho đến nay, các ứng dụng của công nghệ nano đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ, những ý tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp các công ty lớn, các viện nghiên cứu trên thế giới Đối với dây nano từ tính, do có các tính chất đặc biệt nên thu hút được nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh, cảm biến, ghi từ

1.3.1 Phân phối gen

Phân phối gen bằng cách sử dụng các dây nano từ tính nhiều đoạn có rất nhiều thuận lợi 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 quả 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 [12] Tuy nhiên, trong 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, và 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

Hình 1.8 Chức năng hóa các dây nano Au-Ni 1 Dây nano được ủ với AEDP Đoạn

Ni liên kết với nhóm muối của axit cacbonxylic 2 Plasmit liên kết với nhóm amin có thêm một proton của AEDP 3 Plasmit bất động bề mặt được cô đọng bằng CaCl 2 4

Đoạn Au liên kết chọn lọc với Transferring hodaminetagg

Hình 1.8 cho thấy các phương pháp cho plastic DNA liên kết có chọn lọc và protein liên kết với các dây nano Au/Ni [23] Sau khi các dây nano được di chuyển ra khỏi mẫu, đoạn Ni của dây có chức năng với 3-[(2-aminoethyl) dithiol] – axit propionic (AEDP) thông qua đuôi axit cacbonxylic Plasmit DNA sau đó liên kết tĩnh điện với các nhóm amin có thêm một proton của AED Đoạn Au của dây nano sau đó

có chức năng với transferrin (transferring là một protein tế bào mục tiêu và bị biến đổi hoá học với thiol)

Sự chuyển nạp bằng cách sử dụng các dây nano nhiều chức năng này được thực hiện trên phôi thận con người (HEK293), dòng tế bào động vật có vú Đã xác nhận được rằng các dây nano nhiều lớp có hiệu quả hơn trong sự chuyển nạp so với các dây nano thành phần đơn transferrindimodifi

1.3.2 Phân tách các phân tử sinh học

Các dây nano từ tính có thể được sử dụng trong phân tách các phân tử sinh học hiệu suất cao Cả các dây nano từ tính đơn 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 từ tính trong phân tách tế bào Trong hình 1.9 là trường hợp phân tách tế bào bằng cách

sử dụng các dây nano nhiều đoạn

I-xi-din (His) có ái lực liên kết cao đối với Ni và có thể dùng tương tác này trong cột Ni để phân tách các protein His đã được đánh dấu từ các giải pháp sinh học [27]

Các dây nano nhiều đoạn Au/Ni/Au có các động lực liên kết nhanh hơn trong phân tách các protein His đã được đánh dấu Khi các dây nano nhiều đoạn được đưa đến một dung dịch có chứa cả protein His đã được đánh dấu gắn vào các đoạn Ni của dây nano, và có thể di chuyển ra khỏi dung dịch bằng cách đặt vào một từ trường ngoài Tương tự, các dây nano nhiều đoạn Au/Ni/Au có chức năng hóa với poly - His

có thể được sử dụng để phân tách có hiệu quả các protein kháng i-xti-din từ các kháng thể khác Trong thí nghiệm đó, các đoạn Au của dây nano bị thụ động với poly thiolate (ethylene glycol) (PEGSH) để giảm thiểu sự liên kết không rõ ràng của protein với bề mặt Au và giảm thiểu sự tổng hợp có thể gây ra bởi các tương tác bề mặt – bề mặt Au [16]

Hình 1.9 (a) Sơ đồ phân tách các protein His đã được đánh dấu từ các protein chưa

được đánh dấu; (b) Phân tách các kháng thể poly – His từ các kháng thể khác

1.3.3 Ghi từ vuông góc

Trong những năm gần đây, để tăng mật độ lưu trữ thông tin, giảm kích thước của thiết bị lưu trữ người ta sử dụng phương pháp ghi từ vuông góc, điều này có thể làm tăng mật độ tích luỹ từ 1 Tbit/in2

trên mỗi mức Để thực hiện ghi từ vuông góc, chúng

ta cần thiết phải có các màng mỏng chứa các hạt từ cứng đơn đômen, hoặc các hạt nano có tính dị hướng ở mật độ cao Nói cách khác là mômen từ của các phần tử ghi riêng lẻ phải được sắp xếp thẳng hàng theo hướng vuông góc với mặt phẳng, sự dị hướng này có thể có được từ dị hướng từ tinh thể và dị hướng từ hình dạng Như mô tả

ở hình 1.10(a), đối với cách ghi từ song song và 1.10(b) là ghi từ vuông góc, [24]

Hình 1.10 (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc

1.3.4 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 domain từ (magnetic domain wall) - vùng phân cách giữa 2 domain từ liền nhau - 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 (Theo kết quả trên Science 315 1553)

Vách domain từ tính là một biên hẹp giữa 2 domain từ liên tiếp, mà có vector

từ hóa hướng theo hai phương khác nhau Vách domain có thể di chuyển trong vật liệu

bằng cách đặt một từ trường ngoài hoặc tiêm một dòng phân cực spin Một số nhà vật

lý đã tính toán 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 domain từ tính - được ngăn cách bởi các vách domain, dọc theo một dây nano (hình 1.11) Các bit riêng biệt được lưu trữ và truy xuất bằng cách dịch chuyển các dãy này dọc các dây nano và cắt ngang đầu đọc, đầu ghi

Hình 1.11 Mô hình lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ "racetrack"

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 cách vách domain khi mà chúng bị 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

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 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 [31]