Nghiên cứu từ trường bề mặt của vật liệu từ

cứng cấu trúc micro-nano

Nguyễn Thị Kiều Linh

Trường Đại học Công nghệ

Luận văn ThS. ngành: Vật liệu và linh kiện nano

(Chuyên ngành đào tạo thì điểm)

Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Đức Thắng

Năm bảo vệ: 2012

Abstract. Trính bày tổng quan từ trường và các đại lượng đặc trưng cho từ trường;

hiện tượng từ trễ; dị hướng từ; cấu trúc từ; vật liệu cứng; các đặc trưng của vật liệu

từ cứng. Tím hiểu các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu từ trường bề mặt của

vật liệu từ cứng cấu trúc micro-nano. Kết quả: ảnh hưởng của số lượng nam châm

lên sự phân bố của từ trường bề mặt; khảo sát ảnh hưởng của kìch thước nam châm

lên sự phân bổ của từ trường bề mặt; khảo sát ảnh hưởng của chiều dày nam châm

lên sự phân bổ của từ trường bề mặt; khảo sát ảnh hưởng khoảng cách các nam châm

lên sự phân bổ của từ trường bề mặt; quan sát hính ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ.

Keywords. Vật liệu nano; Vật liệu từ cứng; Linh kiện nano; Cấu trúc micro nano

Content

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 nhiêu 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

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.

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 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 750

oC 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

3

0

4 R

RdlIdB

(2.1)

Với R là bán kình véc tơ từ điểm quan sát tới phần tử dòng điện lId

Đối với trường hợp của cuộn solenoid giống như một lăng trụ chữ nhật kìch thước 2a

× 2b × 2h, miêu tả một nam châm hính lăng trụ từ hóa dọc theo trục z. Biểu thức 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

1

2

1

2

1)ln(

24

2220

h

IBx (2.2)

2

1

2

1

2

1)ln(

24

2220

h

IBy (2.3)

2

1

2

1

2

1

2220 arctan

24

h

IBz (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:

BBV

F

0

(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 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 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 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.

Số

lượng

nam

châm

Kích thước nam châm Khoảng cách từ

đầu đo đến bề

mặt nam châm d

(µm) Bzmax (T) Bzmin (T)

Chiều

dài l

(µm)

Chiều

rộng w

(µm)

Chiều

dày h

(µm)

2 10 10 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

3 10 10 4

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.

(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.

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.

(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 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.

(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 µm

2.

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.

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)

(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.

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 µm2. 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)

(b)

(c)

Hình 3.11 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 50×50 µm2, 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.

(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.

(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.

(a)

(b)

(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.

Hình 3.5 Hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu

đỏ tại khoảng cách d = 5 µm khi khoảng cách giữa các nam châm g là khác nhau.

3.5 Quan sát hình ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ

Sau khi nhỏ các tế bào hồng cầu lên bề mặt của vi nam châm, chúng ta thấy hồng cầu

phân bố đồng nhất và ổn định tại vị trì có năng lượng từ trường thấp, đó là khoảng cách giữa

các vi nam châm [25]. Đặc biệt tại vị trì giữa 4 nam châm, chúng ta có thể thấy rằng số lượng

hồng cầu tập trung nhiều nhất (hính 3.16). Điều này phù hợp với vị trì năng lượng cực tiểu tại

vị trì giữa 4 nam châm khi d > 10 µm (hính 3.11b). Trong thì nghiệm này chúng tôi đã không

xác định được chiều cao chình xác nơi mà các tế bào hồng cầu được nâng lên, nhưng những

kết quả này cho thấy các tế bào hồng cầu đã được nâng lên tại một vị trì nào đó trên bề mặt

nam châm.

Hình 3.16 Sự phân bố của tế bào hồng cầu trên mảng vi nam châm

KẾT LUẬN

Trong luận văn này chúng tôi đã khảo sát được 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.

Khi số lượng nam châm tăng thí sẽ có thêm các vùng từ trường biến thiên.

Khi kìch thước nam châm thay đổi ta sẽ có các bẫy từ với kìch thước khác nhau.

Khi tăng độ dày của nam châm thí khi ở cùng 1 khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt

nam châm, từ trường trên bề mặt nam châm sẽ tăng.

Khi khoảng cách giữa các nam châm tăng thí từ trường ở vị trì giữa các nam châm

sẽ giảm. Khi khoảng cách giữa các nam châm bằng với kìch thước nam châm thí từ trường

trên bề mặt nam châm sẽ đồng đều nhất.

Luận văn cũng nghiên cứu khả năng sử dụng cấu trúc từ để lưu giữ các chất nghịch

từ và thử nghiệm việc lưu giữ này với các tế bào hồng cầu.

References

Tiếng Việt

1. Vũ Đính Cự (1996), Từ học, NXB khoa học và kỹ thuật.

2. Lê Việt Cường (2011), Nghiên cứu chế tạo bẫy từ cấu trúc micro, nano định hướng

ứng dụng trong y sinh hoc, Đề cương nghiên cứu sinh, Trường Đại học Công nghệ,

Đại học Quốc gia Hà Nội.

3. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc Nanô và điện tử học spin, NXB Đại học

Quốc Gia Hà Nội.

4. Ngô Xuân Lộc (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lên tính chất của màng

mỏng từ tính, Khóa luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Công nghệ, Đại học

Quốc gia Hà Nội.

5. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội.

6. Vi.wikipedia.org/wiki/Hồng_cầu

7. Vi.wikipedia.org/wiki/Dị_hướng_từ_tinh_thể.

8. Vi.wikipedia.org/wiki/Từ_trễ

9. Vi.wikipedia.org/wiki/Vật_liệu_từ_cứng.

Tiếng Anh

10. M. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F.N.V. Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A.

Friederch, and J. Chazelas (1988), Phys. Rev. Lett. 61, 2472.

11. G. Bisnasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zin (1989), Phys. Rev. B 39, 4828.

12. Francois Buret, Naoufel Haddour, Julie Laforet-Ast, Laurent Nicolas, Ronan

Perrussel, Damien Voyer, Noël Burais, Marie Frénéa-Robin, Riccardo Scorretti,

Nicolas Siauve (2011), “Electromagnetic characterization of biological cells”, Rev.

Bras. Eng. Biom., v. 27, Supl. 1, p. 61-68.

13. Sergey Chigirinsky, Mikhail Kustov, Nora Dempsey, Cheikh Ndao, Postislav

Grechishkin (2009), “Calculations and measuremrnts of the magnetic field of

patterned permanent magnetic films for lab-on-chip applications”, Rev.Adv.Mater.Sci.

14. B. Dieny, V. S. Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and

D. R. Wilhoit (1991), J. App. Phys. 69, 4774.

15. M. Drak, L.A. Dobrzański (2007), “Hard magnetic materials Nd-Fe-B/Fe with epoxy

resin matrix”, Journal of Achievements in materials and Manufacturing Engineering,

Volume 24.

16. F. Dumas-Bouchiat, L. F. Zanini, M. Kustov, N. M. Dempsey, R. Grechishkin, K.

Hasselbach, J. C. Orlianges, C. Champeaux, A. Catherinot, and D. Givord (2010),

“Thermomagnetically patterned micromagnets”, Applied physics.

17. R.L. Edelstein, C.R. Tamanaha, P.E. Sheehan, M.M. Miller, D.R. Baselt, L.J.

Whitman, R.J. Colton (2000), “The BARC biosensor applied to the detection of

biological warfare agents”, Biosensors & Bioelectronics 14, 805–813.

18. En.wikipedia.org/wiki/Magnet

19. En.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field

20. En.wikipedia.org/wiki/Magnetic_structure

21. M. Frenea-Robin, H. Chetouani, N. Haddour, H. Rostaing, J. Laforet, G. Reyne

(2008), “Contactless diamagnetic trapping of living cells onto a micromagnet array”,

30th Annual International Conference of the IEEE.

22. Paul Kauffmann, Nora Dempsey, Daniel O’Brien, Stéphanie Combe, Béatrice

Schaack, Vincent Haguet, Gilbert Reyne (2010), “Diamagnetic trapping of cells

above micro-magnets”, 14th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field

Computation CEFC, Chicago.

23. M. Kustov, P. Laczkowski, D. Hykel, K. Hasselbach, F. Dumas-Bouchiat, D. O’Brien,

P. Kauffmann, R. Grechishkin, D. Givord, G. Reyne, O. Cugat, and N. M. Dempsey

(2010), “Magnetic characterization of micropatterned Nd-Fe-B hard magnetic films

using scanning Hall probe microscopy”, Applied physics.

24. Le Viet Cuong (2010), Fabrication and characterization of nanostrutured FePt and

NiFe thin films, Thesis for the degree of master of science.

25. L. V. Cuong, N. T. K. Linh, N. T. Hien, B. N. Q. Trinh, L. T. Hien, P. D. Thang (2012)

“A study on distribution of red blood cell using microsized permanent magnets”, The

6th

International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology

(IWAMSN2012), Ha Long City, Vietnam.

26. H. Lee, A. M. Purdon, and R. M. Westervelt (2004), “Micromanipulation of

biological systems with microelectromagnets”, IEEE transaction on magnetics, vol.

40, no. 4, pp. 2991-2993.

27. O. Osman, C. Vézy, J. Pivetal, M. Frénea-Robin, N. Haddour, F. Buret, L. F. Zanini,

G. Reyne, N. M. Dempsey, and F. Dumas-Bouchiat (2011), “A novel device for

continuous flow magnetic trapping and sorting of human cells using flat micro –

patterned NdFeB films”, 15th International Conference on Miniaturized Systems for

Chemistry and Life Sciences, Seattle, Washington, USA.

28. A. Winkleman, K. Gudiksen, D. Ryan, and G. Whitesides (2004), “A magnetic trap

for living cells suspended in a paramagnetic buffer”, Applied physics letters, vol. 85,

no. 12, pp. 2411-2413.

29. Maciej Zborowski, Graciela R. Ostera, Lee R. Moore, Sarah Milliron, Jeffrey J.

Chalmers,

and Alan N. Schechter (2003), “Red Blood Cell Magnetophoresis”,

Biophys Journal, pp. 2638–2645.