Tải bản đầy đủ (.pdf) (54 trang)

Nghiên cứu chế tạo dây nano CoNiP

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.7 MB, 54 trang )

Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

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

NGUYỄN THỊ THU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO CoNiP

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Hà Nội - Năm 2014

1


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

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

NGUYỄN THỊ THU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO CoNiP


Chuyên ngành: Vật lí Nhiệt
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội - Năm 2014

2


Lun vn tt nghip

Nguyn Th Thu

Lời cảm ơn!
c s giỳp đỡ, chỉ bảo ân tình của thầy hƣớng dẫn TS
Lê Tuấn Tú trong suốt quá trình tìm đọc tài liệu, thiết lập đề cƣơng, cũng nhƣ
phƣơng pháp nghiên cứu, đến nay bản luận văn của em đã hoàn thành, cho
phép em đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy Lê Tuấn Tú
(Bộ môn Vật lý Nhiệt), ngƣời đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm
việc. Có đƣợc luận văn này cũng là nhờ sự dạy bảo, giúp đỡ, động viên về
mọi mặt của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật lý Nhiệt trƣờng Đại học
Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng nhƣ Ban giám hiệu, Ban
Chủ nhiệm Khoa và Phòng Sau Đại học của nhà trƣờng. Bởi vậy, cũng trong
dịp này, cho phép em đƣợc ghi nhận và mang ơn các thầy cô giáo, các Phòng,
Ban trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo
điều kiện thuận lợi cho em trong suốt q trình đào tạo.
Để hồn thành luận văn này, em xin gửi tới Sở Giáo dục & Đào tạo

Hƣng Yên, Ban giám hiệu trƣờng THPT Trần Quang Khải, các thầy giáo, cơ
giáo tổ Lý - Hóa cùng Hội đồng sƣ phạm nhà trƣờng và những ngƣời thân
trong gia đình, những bạn bè đồng nghiệp gần xa lịng biết ơn vơ hạn vì đã
động viên, giúp đỡ và thắp lên ngọn lửa nhiệt tình để em có thể đạt đƣợc kết
quả nhƣ ngày hôm nay.
Hà Nội, ngày 06 tháng 01 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu

3


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN ................................... Error! Bookmark not defined.
1.1. Giới thiệu về dây nano. ................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Các dây nano tạo mảng và phân tán. ........ Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp.. Error! Bookmark not
defined.
1.2. Tầm quan trọng của dây nano từ tính. ............ Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Một số ứng dụng của dây nano từ tính. .... Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Tính chất từ của dây nano từ tính. ............ Error! Bookmark not defined.
1.3. Giới thiệu về vật liệu từ cứng CoNiP ............. Error! Bookmark not defined.
1.4. Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa. .................. Error! Bookmark not defined.

1.4.1. Tế bào điện hóa. ....................................... Error! Bookmark not defined.
1.4.2. Quá trình lắng đọng ................................. Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...... Error! Bookmark not
defined.
2.1. Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa. .................. Error! Bookmark not defined.
2.2. Phƣơng pháp Vol-Ampe vòng (CV). .............. Error! Bookmark not defined.
2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM). ........................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). ............. Error! Bookmark not defined.
2.5. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (Energy dispersive spectroscopy – EDS hay
EDX ). .................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.6. Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM). ..................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........... Error! Bookmark not defined.
3.1. Kết quả đo Vol-Ampe vòng (CV). ................. Error! Bookmark not defined.
3.2. Kết quả đo hình thái học bề mặt của khn polycarbonate (PC) ........... Error!
Bookmark not defined.
3.3. Kết quả hiển vi điện tử quét của mẫu. ............................................................35
3.4. Kết quả phân tích thành phần (EDS). ............. Error! Bookmark not defined.

4


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

3.5. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X. ................... Error! Bookmark not defined.
3.6. Kết quả đo tính chất từ của dây. ..................... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ...............................................................................................................44
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................45


5


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: (a) Dây nano Ni đƣợc tạo mảng có đƣờng kính 200nm; (b) Dây nano Co
bị phân tán có đƣờng kính khoảng 70nm. ...................................................................4
Hình 1.2: (a) Dây nano Ni một đoạn (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn (c) Dây nano
nhiều lớp Co - Cu. ..................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3: Sơ đồ phân tách các protein His đã đƣợc đánh dấu từ các protein chƣa
đƣợc đánh dấu (a) và (b) phân tách các kháng thể poly–His từ các kháng thể khác.
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4: (a) Sự tƣơng tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano kim
loại đƣợc mã hóa. (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian đƣợc thực hiện
trên một dây nano. ..................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Chức năng hóa của các dây nano Au - Ni. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6: (a) Mũi MFM sử dụng dây nano Co 30nm tự lắp ráp và (b) Các đômen từ
trên các mẫu micro NiFe (các mặt bên 400nm và 600nm) đƣợc phát hiện bằng cách
sử dụng mũi dây Co (a). ..............................................................................................9
Hình 1.7: Hình ảnh (a) quang học, (b)SEM của dây nano nhiều đoạn Ag/ Au có
đƣờng kính khoảng 550 nm Au và các đoạn Ag dài 60, 110, 170, 240nm (từ dƣới
lên trên) ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8: (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vng góc. ........... Error! Bookmark not
defined.
Hình1.9: Những chu trình từ trễ của một mảng dây nano Ni . Error! Bookmark not
defined.

Hình1.10: Sự biến đổi của lực kháng từ và tỉ số vng góc

Mr
vào độ pH ..... Error!
Ms

Bookmark not defined.
Hình1.11: a. Tế bào điện hóa điển hình b. Điện cực đƣợc cơ lập .. Error! Bookmark
not defined.
Hình1.12: Điện cực làm việc .................................... Error! Bookmark not defined.
Hình1.13: Điện cực chuẩn khan ................................ Error! Bookmark not defined.

6


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

Hình 2.1: Mơ tả q trình lắng đọng điện hóa. ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa chế tạo dây nano. ......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.3: Mơ hình tổng quan của thí nghiệm CV. .... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4(a): Kính hiển vi điện tử qt ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4(b): Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét. ... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5: Hiện tƣợng nhiễu xạ trên tinh thể ............. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo của hệ đo nhiễu xạ tia X. .... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7: Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD) ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8: Khi chùm điện tử tới (1) đập vào mẫu (2), từ mặt mẫu phát ra các điện
tử tán xạ ngƣợc (3), điện tử thứ cấp (4) và bức xạ tia X (5). ..... Error! Bookmark

not defined.
Hình 2.9:(a) Thiết bị VSM DMS Model 880 ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9:(b) Mơ hình từ kế mẫu rung. ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1: Kết quả đo CV của dung dịch CoNi và CoNiP ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.2: Kết quả đo CV của dung dịch CoNiP với các giá trị pH khác nhau. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.3: Ảnh SEM của khn PC với kích thƣớc lỗ 100nm Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.4: Ảnh SEM của dây nano CoNiP đƣợc lắng đọng ở pH = 5,5 trong thời gian
20 phút. ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5: Ảnh EDS của dây nano CoNiP. ...............................................................36
Hình 3.6: Ảnh EDS của đế thủy tinh. ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của thành phần Co, Ni và P vào độ pH ...............................37
Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ tia X .............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.9: Kết quả đo VSM với từ trƣờng đặt song song với dây (■) và vng góc ở
dây (●) với các giá trị pH khác nhau. ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào độ pH ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.11: Tỉ số Mr/Ms của các đƣờng cong từ trễ có từ trƣờng song song với trục
của dây....................................................................... Error! Bookmark not defined.

7


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

MỞ ĐẦU

Năm 1959 giáo sƣ Richard Feynman (viện kĩ thuật Massatchusets - MIT) đề
ra một thuyết táo bạo: “Thay vì phân chia nhỏ vật chất, tại sao chúng ta không đi từ
cái vô cùng nhỏ?”. Mƣời năm sau, sinh viên Eric Drexler đƣa ra thuật ngữ
Nanotechnologie. Năm 1985, hai nhà nghiên cứu Gerd Bining (Đức) và Heinrich
Rohrer (Thụy Sĩ) tạo ra kính hiển vi có khả năng nhìn những vật chất chỉ nhỏ bằng
1/25 kích thƣớc phân tử. Một năm sau, họ đoạt giải Nobel. Năm 1990, một nhà
nghiên cứu của hãng IBM Don Eigler mới đạt đƣợc những thành công từ kỹ thuật
nano là vẽ lại đƣợc biểu tƣợng của nhiều công ty bằng những dạng vật chất siêu
nhỏ. Từ đó, nano xem nhƣ đƣợc công chúng biết đến.
Trong tiếng Hy Lạp, “nano” nghĩa là “nhỏ xíu” và đƣờng kính một sợi tóc
ngƣời cũng lớn hơn 80.000 lần so với một nano. Theo nguyên tắc chung, công nghệ
nano nằm trong vùng vật chất từ 0,1 – 100 nm (1nm=1 phần triệu mm). Những tính
chất của vật chất trong lĩnh vực này cịn có thể đƣợc quan sát và khảo sát ở quy mô
vĩ mô hoặc vi mô và đƣợc ứng dụng để phát triển các nguyên liệu, dụng cụ với
những chức năng và tính năng mới.
Cho đến nay, nhiều ứng dụng của công nghệ nano đã đƣợc tiến hành trong
nhiều lĩnh vực ít ai ngờ, những ý tƣởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp các
công ty lớn, các viện nghiên cứu trên thế giới. Chẳng hạn, những phân tử polyme

8


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

siêu nhỏ và siêu bền, đƣợc dùng để chế tạo ván trƣợt tuyết, giúp trƣợt dễ hơn. Quần
áo của các vận động viên hay nhà thám hiểm cũng đƣợc dệt từ các loại sợi nano siêu
kín và siêu mỏng, chống chọi tốt với cái lạnh khắc nghiệt của vùng cực hay đỉnh
Everest. Một quả bóng tennis đƣợc chế tạo từ kỹ thuật nano sẽ có sức chịu đựng gấp

đơi so với bóng hiện nay. Hãng IBM đang tạo ra những phân tử nano có hai tính
chất: vừa là kim loại vừa mang tính bán dẫn. Những phân tử này sẽ tạo ra những thế
hệ máy tính cực khoẻ và bền. Các sản phẩm của cơng nghệ nano đã và đang đƣợc
ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ cơng nghiệp hóa học, nơng nghiệp, điện tử và
môi trƣờng...
Hiện nay, công nghệ nano là một trong những mối quan tâm hàng đầu của chính
phủ các nƣớc. Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu, chế tạo các vật liệu có cấu
trúc nano nhằm hƣớng tới các ứng dụng của nó. Một số trung tâm mạnh trong nƣớc
đang triển khai nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc nano nhƣ Đại học Khoa học Tự
nhiên - ĐHQGHN, Viện Khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội… Tại bộ
môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN,
nhóm nghiên cứu chế tạo dây có kích thƣớc nano cũng đã đƣợc hình thành và đang
tiến hành các chƣơng trình nghiên cứu, trong đó nội dung chủ yếu là chế tạo các dây
nano từ tính bằng phƣơng pháp lắng đọng điện hố. Phƣơng pháp lắng đọng điện
hố có những ƣu việt hơn các phƣơng pháp khác ở chỗ khơng địi hỏi thiết bị đắt
tiền, nhiệt độ cao, hoặc chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ phát triển
nhanh, phƣơng pháp này cũng khơng tốn thời gian. Để tìm hiểu về phƣơng pháp
lắng đọng điện hóa và một số tính chất của dây nano từ tính, những thí nghiệm ban
đầu về việc chế tạo dây CoNiP có kích thứớc nano đã đƣợc tiến hành. Chính vì vậy
nhiệm vụ của luận văn này là: “Nghiên cứu chế tạo dây nano CoNiP”.
Nội dung của luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.

9


Luận văn tốt nghiệp


Nguyễn Thị Thu

10


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về dây nano.
Sự kết hợp giữa sinh vật học và vật lý học đã tác động đến nhiều lĩnh vực của
khoa học và kỹ thuật ở quy mô micro và nano. Trong số những lĩnh vực đó thì từ y
sinh là một lĩnh vực cực kì thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã đƣợc
dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Đây là lĩnh vực phát
triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã đƣợc phát triển, nhƣ phân tách tế
bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào, cũng nhƣ một loạt các ứng
dụng y học và trị liệu tiềm năng. Hầu hết các hạt từ tính sử dụng có dạng hình cầu,
thƣờng bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hoá các phối tử độc hại về
sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng của các hạt từ
tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và công nghệ sinh học,
các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện nhiều chức
năng. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và các linh kiện, chúng ta
cần phải tuân thủ một số điều kiện nhƣ: phải điều khiển môi trƣờng hoá học hoặc
giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trƣờng hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật
tự cao đã đƣợc tính đến. Dây nano từ tính là một dạng của hạt từ tính. Dây nano cịn
gọi là thanh nano, có cấu trúc dị hƣớng gần nhƣ một chiều với tỷ số giữa đƣờng
kính và chiều dài rất cao[3] .
Các dây nano từ tính sở hữa các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau hồn
tồn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối là hạt hình phỏng cầu và màng mỏng. Hầu

hết các dây nano từ tính đƣợc sử dụng trong sinh y là các thanh kim loại hình trụ
đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp điện hố trên các tấm xốp có các lỗ kích thƣớc
nano. Bán kính của chúng có thể kiểm sốt trong phạm vi từ 5 đến 500 nm, chiều
dài của chúng có thể đƣợc kiểm sốt lên tới 60 µm. Cần lƣu ý rằng cả dây nano từ
đơn thành phần và dây nano từ nhiều đoạn đều đƣợc sử dụng rộng rãi trong cả
nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế. Có thể biến đổi các tính chất từ quan
trọng nhƣ nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trƣờng bão hòa, từ dƣ, định hƣớng trục dễ từ

11


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

hoá bằng cách thay đổi đƣờng kính, độ dày và thành phần của các đoạn từ tính/
khơng từ tính của dây nano nhiều đoạn[5]. Nhiều nỗ lực đã đƣợc thực hiện để phát
triển các phƣơng pháp tổng hợp, chế tạo và điều khiển các dây nano từ để có thể
ứng dụng đƣợc trong các lĩnh vực khác.
1.1.1. Các dây nano tạo mảng và phân tán.
Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều đƣợc sử dụng ở dạng
cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc. Hình 1.1(a) chỉ ra một ví dụ về
mảng dây nano Ni có đƣờng kính khoảng 200 nm. Cần lƣu ý rằng dây nano Ni biểu
diễn trên hình 1.1(a) đƣợc tạo thành mảng một cách ngẫu nhiên. Trên hình 1.1(b)
biểu diễn dây nano Co phân tán rời rạc có đƣờng kính 70nm. Trong các ứng dụng y
sinh, các dây nano thƣờng bị treo lơ lửng trong các dung dịch[1,2].

Hình 1.1: (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) Dây nano Co
bị phân tán có đường kính khoảng 70nm.


12


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

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

Hình 1.2:(a) Dây nano Ni một đoạn ;
(b) Dây nano Ni-Au hai đoạn;
(c) Dây nano nhiều lớp Co-Cu.
Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện nhiều chức năng
cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã đƣợc nghiên cứu chuyên sâu, cũng do
đó mà các nhà nghiên cứu đã khám phá đƣợc nhiều chức năng vốn có của chúng[7].
Hình 1.2(a) biểu diễn một phần dây nano Ni một đoạn. Cần lƣu ý rằng, dây nano
một đoạn có thể đƣợc làm từ nguyên tố đơn lẻ nhƣ kim loại, hợp kim hoặc oxit.
Hình 1.2(b) biểu diễn một phần dây nano Ni - Au hai đoạn. Hình 1.2(c) biểu diễn
một phần dây nano nhiều lớp Co - Cu[8].
1.2. Tầm quan trọng của dây nano từ tính.
1.2.1. Một số ứng dụng của dây nano từ tính.
Những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano đƣợc các nƣớc trên thế
giới quan tâm phát triển nhằm hƣớng tới phục vụ đời sống. Những tính chất ƣu việt
của vật liệu nano đã giúp cho những vật liệu có rất nhiều ứng dụng quan trọng.

13


Luận văn tốt nghiệp


Nguyễn Thị Thu

1.2.1.1. Thao tác phân tử sinh học.
Các dây nano từ tính có thể đƣợc sử dụng trong phân tách các phân tử sinh
học hiệu suất cao. Cả các dây nano từ tính một đoạn và dây nano từ tính nhiều đoạn
đều đƣợc sử dụng để phân tách tế bào. Nói chung, các dây nano từ tính tốt hơn các
hạt nano từ tính trong việc phân tách tế bào. Có thể thao tác các phân tử sinh học
bằng cách sử dụng các dây nano từ tính dƣới tác động của từ trƣờng ngoài, điều này
là cơ sở của nhiều ứng dụng y sinh của các dây nano từ tính.
Trong hình 1.3 là trƣờng hợp phân tách tế bào bằng cách sử dụng các dây
nano nhiều đoạn[9].

Hình 1.3: Sơ đồ phân tách các protein His đã được đánh dấu từ các protein chưa
được đánh dấu (a) và (b) phân tách các kháng thể poly–His từ các kháng thể khác.
1.2.1.2. Hệ thống cảm biến sinh học treo.
Nhƣ biểu diễn trên hình 1.2, có thể sử dụng các dây nano nhiều lớp nhƣ một
chất nền trong bộ điều khiển cảm biến sinh học để xét nghiệm miễn dịch tầng trung
gian. Dây nano nhiều lớp bao gồm các lớp submicrometer của các kim loại khác
nhau, và thông thƣờng đƣợc tổng hợp bằng cách mạ điện trong khuôn oxit nhôm

14


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

xốp. Nhiều biến đổi có thể xảy ra trong tổng hợp các dây nano, một số lƣợng lớn
các dây nano đƣợc mã hóa có thể nhận biết dễ dàng chứa trong một mẫu mảng
nhiều lớp. Tok và các cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng của các dây nano kim loại

nhiều lớp trong mẫu treo cho xét nghiệm miễn dịch nhanh và chính xác[15].

Hình 1.4: (a) Sự tương tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano kim
loại được mã hóa. (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian được thực hiện
trên một dây nano.
1.2.1.3. 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 thơng thƣờng có thể
khơng đƣợc kiểm sốt trên quy mơ nano, chúng bị giới hạn bởi hiệu quả chuyển nạp
tƣơng đối thấp của chúng, giới hạn khả năng của hệ thống để kết hợp DNA ngoại lai
bên trong một tế bào mục tiêu[11]. Tuy nhiên, trong chế tạo dây nano nhiều đoạn,
có thể kiểm sốt chính xác vật liệu của mỗi đoạn và các tính chất của chúng ở quy
mơ kích thƣớc nano. Hơn nữa, các dây nano nhiều đoạn có thể cung cấp các chức

15


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

năng khác nhau trong khu vực khơng gian xác định, và do đó có thể kiểm sốt chính
xác sự bố trí kháng ngun và sự kích thích của các phản ứng miễn dịch nhiều lớp.

Hình 1.5: Chức năng hóa của các dây nano Au - Ni[9].
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 hodamine-tagged .

Tác giả Salem A.K. đã nghiên cứu việc ứng dụng của các dây nano Au/Ni tổng
hợp tĩnh điện cho mục đích điều trị[9]. Hình 1.5 cho thấy các phƣơng pháp cho
plastic DNA liên kết có chọn lọc và protein liên kết với các dây nano Au/Ni. Sau
khi các dây nano đƣợc 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
của nó. 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).

16


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

1.2.1.4. Các mũi kính hiển vi đầu dị qt có độ phân giải cao.
Độ phân giải của kính hiển vi đầu dị qt phụ thuộc nhiều vào dạng hình
học và độ sắc nét của mũi (tip). Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) kích hoạt bằng
các đầu ống nano cacbon (CNT). Mặt khác, khi dùng mũi kim loại có tính chất dẫn
mạnh cho ta AFM dẫn điện (cịn gọi là kính hiển vi lực điện, EFM), kính hiển vi
quét điện thế bề mặt (SSPM), và kính hiển vi lực từ (MFM). Ví dụ, các mũi CNT có
thể thu đƣợc bằng cách lắng đọng hơi hóa học từ một hạt chất xúc tác ở đầu và đƣợc
dùng làm mũi cho AFM. Các mũi kim loại khác có thể đƣợc chế tạo bằng cách khắc
điện hóa một dây/mũi kim loại, phủ vật lý mũi CNT hoặc bằng cách tự lắp ráp.
Hình 1.6 mơ tả một ví dụ về mũi dây nano Co và sử dụng nó trong việc tạo ảnh của
hiển vi lực từ (MFM). Độ phân giải của MFM phụ thuộc vào đƣờng kính của dây.
Vì vậy, ta có thể cải thiện độ phân giải của MFM bằng cách giảm đƣờng kính dây.

Hình 1.6:(a) Mũi MFM sử dụng dây nano Co 30nm tự lắp ráp và (b) Các đômen từ
trên các mẫu micro NiFe (các mặt bên 400nm và 600nm) được phát hiện bằng cách

sử dụng mũi dây Co (a).

17


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

1.2.1.5. Dán nhãn sinh học.
Có lẽ ứng dụng đơn giản nhất của các dây nano kim loại (MNWs) nhiều
đoạn là trong trƣờng hợp dán nhãn sinh học. Dây đƣợc tạo thành từ kim loại có tính
chấp nhận sự cộng hƣởng gen nguyên sinh mạnh nhƣ Au, Ag và Cu.

Hình 1.7:Hình ảnh (a) quang học, (b)SEM của dây nano nhiều đoạn Ag/Au có
đường kính khoảng 550 nm Au và các đoạn Ag dài 60, 110, 170, 240nm (từ dưới lên
trên). Các đoạn Ag nhìn sáng hơn trong (a) và tối hơn trong (b), (c) hình ảnh quang
học của dây nano 3 kim loại[3].
Các kim loại này tán xạ ánh sáng nhìn thấy mạnh hơn ngay cả khi các đoạn
riêng rẽ nhỏ hơn nhiều bƣớc sóng có thể nhìn thấy bằng cách sử dụng kính hiển vi
quang học tiêu chuẩn với nguồn ánh sáng trắng (hình 1.7). Nếu phát hiện một phân
tử sinh học nhất định, dây nhiều đoạn đƣợc kết cấu bất kỳ (hoặc „mã hóa‟) có thể
hoạt động nhƣ dấu vân tay cho xác định nhanh và đơn giản các phân tử sinh học. Để
minh họa cho khả năng của hệ thống mã hóa này, một dây nano có chứa 13 đoạn và
đƣợc làm bằng hai kim loại (ví dụ Ag / Au) đƣợc tính tốn có 4160 hốn vị .
1.2.1.6. Ghi từ vng góc.
Trong những năm gần đây, để tăng mật độ lƣu trữ thơng tin, giảm kích thƣớc
của thiết bị lƣu trữ ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp ghi từ vng góc, điều này có thể
làm tăng mật độ tích luỹ từ 1Tbit/in2 trên mỗi mức. Để thực hiện ghi từ vng góc,
chúng ta cần thiết phải có các màng mỏng chứa các hạt từ cứng đơn đơmen, hoặc

các hạt nano có tính dị hƣớng ở mật độ cao. Nói cách khác là mômen từ của các
phần tử ghi riêng lẻ phải đƣợc sắp xếp thẳng hàng theo hƣớng vng góc với mặt

18


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

phẳng, sự dị hƣớng này có thể có đƣợc từ dị hƣớng từ tinh thể và dị hƣớng từ hình
dạng. Nhƣ mơ tả ở hình 1.8(a), đối với cách ghi từ song song và 1.8(b) là ghi từ
vng góc[2].

Hình 1.8: (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vng góc.
1.2.2. Tính chất từ của dây nano từ tính.
1.2.2.1. Dị hƣớng hình dạng.
Đối với vật liệu có dạng hình cầu, elip hƣớng của từ trƣờng khơng ảnh
hƣởng đến kết quả đo tính chất từ của mẫu. Tuy nhiên, đối với vật liệu có hình dạng
khác nhƣ màng mỏng, dây thì hƣớng của từ trƣờng đo cho ta các kết quả khác nhau
ngƣời ta gọi là dị hƣớng hình dạng. Một vật chịu tác dụng của từ trƣờng ngồi thì từ
trƣờng bên trong vật sinh ra có một từ trƣờng chống lại từ trƣờng ngoài gọi là
trƣờng khử từ. Trƣờng khử từ Hd tỉ lệ với từ độ M tạo ra nó, nhƣng có hƣớng ngƣợc
lại, đƣợc cho bởi :

19


Luận văn tốt nghiệp


Nguyễn Thị Thu

d

= -Nd (1)

Trong đó hằng số trƣờng 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 đƣợc tính tốn bởi
một vật hình elipxoit có từ hóa đồng đều trên tồn bộ vật. Một vật elipxoit có bán
trục a, b và c (c b a), tổng của các hằng số trƣờng khử từ trên 3 bán trục (Na, Nb,
Nc) bằng 4π.
Na + Nb + Nc = 4π

(2)

Cho trƣớc hƣớng từ hóa thì năng lƣợng từ tĩnh ED (erg/cm3) đƣợc cho bởi:
ED = NdMs2

(3)

Trong đó: Ms là từ độ bão hịa của vật, Nd là hằng số trƣờng khử từ.
1.2.2.2. Chu trình từ trễ.
Chu trình từ trễ của một mẫu bất kỳ có mối quan hệ mật thiết với từ trƣờng
ngồi đặt vào. Bằng tính tốn lý thuyết, ngƣời ta có thể thu đƣợc chu trình từ trễ của
mẫu bằng cách cực tiểu hóa năng lƣợng tự do khi có từ trƣờng ngồi. Chu trình từ
trễ của một vật bị ảnh hƣởng bởi các thông số nhƣ vật liệu, cấu trúc vĩ mơ, hình
dạng và kích thƣớc của vật, hƣớng của từ trƣờng và q trình từ hóa của mẫu. Đối
với mảng các dây nano, tƣơng tác giữa các dây nano đơn lẻ có thể ảnh hƣởng tới
q trình từ trễ.


20


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

Hình1.9: Những chu trình từ trễ của một mảng dây nano Ni[13].
Đường kính của các dây nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1 µm.
(a) Từ trường đặt vào H song song với trục của các dây nano;
(b) trường hợp H đặt vào vng góc với trục của các dây nano.
Các thơng số thƣờng dùng trong mô tả đặc trƣng của mỗi mẫu là từ độ bão
hòa Ms, từ dƣ Mr, trƣờng bão hịa Hsat và lực kháng từ Hc. Quan sát hình 1.9, trƣờng
bão hòa Hsat là trƣờng phụ thuộc vào lực kháng từ để đạt tới từ độ bão hòa Ms; từ dƣ
Mr là từ độ của mẫu khi từ trƣờng ngồi mất đi.
Từ độ bão hịa Ms của một vật đạt đƣợc khi tất cả momen từ trong vật hoàn
toàn song song với nhau. Vì vậy, từ hóa bão hịa Ms là tính chất bên trong của vật
liệu từ tính, khơng liên quan tới hình dáng và kích thƣớc của mẫu.
Tính từ của một mảng dây nano chủ yếu đƣợc xác định bằng hai thơng số.
Thứ nhất là tính chất từ của các dây nano đơn. Thứ hai là tƣơng tác giữa các dây
nano đơn có từ tính, liên quan tới các thơng số hình học của mảng dây nano.
1.3. Giới thiệu về vật liệu từ cứng CoNiP
Ngày nay, lắng đọng điện hoá các màng mỏng hợp kim của Co đang đƣợc
quan tâm đặc biệt vì các màng mỏng này hứa hẹn nhiều ứng dụng hữu ích. Đặc biệt
là ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), các cảm biến, y sinh[4,6,10]...

21


Luận văn tốt nghiệp


Nguyễn Thị Thu

Hầu hết các màng mỏng này đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp lắng đọng điện hoá
các hợp chất một hay nhiều thành phần với Co nhƣ CoNiB, CoPtP, CoNiZnP,
CoNiReP, CoNiFe, CoNiMo, CoMo, CoB, CoFeB, và CoFeCr…[14].
Trên thế giới, q trình lắng đọng điện hố của hợp chất CoNiP trong dung
dịch có tính axit đã đƣợc nghiên cứu. Thành phần, cấu trúc, và các tính chất từ của
màng mỏng phụ thuộc nhiều vào các tham số nhƣ nhiệt độ, độ pH và thành phần
của dung dịch.
Năm 1977, Iwasaki và Nakamura đã chỉ ra tiềm năng của những màng dị
hƣớng từ vng góc cho mật độ ghi từ cao[11,19]. Từ đó đã có một số nghiên cứu
về sự lắng đọng của các màng CoNiP đối với các ứng dụng ghi từ vng góc.
Nhà khoa học Nicholson và Khan đã thí nghiệm về sự phụ thuộc của hạt
nhân , cấu trúc micro, và đặc tính từ của CoNiP vào độ pH của dung dịch[18].
Ngoài ra Matsuda đã làm thí nghiệm các giá trị pH khác nhau, tỉ lệ ion kim loại và
nhiệt độ của bể dung dịch đã tạo nên độ từ kháng lớn nhất khoảng 1500 Oe cho hợp
chất CoNiP. Các nhà nghiên cứu cho rằng độ từ kháng lớn nhất với lớp NiP tách
riêng với thành phần Co.
Nghiên cứu của Homma đã cho thấy mối tƣơng quan giữa đặc tính từ và cấu
trúc của CoNiP trong bể Sunfat. Họ đã chứng minh đuợc độ từ kháng lớn nhất theo
phƣơng vng góc là 2600 Oe với kích thƣớc hạt trung bình 35 nm trong điều kiện
pH = 8 và thực tế có thể tạo ra độ từ kháng theo phƣơng vng góc lớn hơn với kích
thƣớc hạt khoảng 20 nm khi độ pH > 8,5. Hơn nữa, những nghiên cứu chỉ ra rằng
nếu thêm NH4+ Amoniac vào dung dịch trong bể thì sẽ tạo ra đƣợc lớp CoNiP độ
dày 30 nm và độ từ kháng theo phƣơng vng góc là 2600 Oe. Độ từ kháng cao tạo
nên từ sự không đồng nhất trong cấu trúc của CoNiP[16,17,18].

22



Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

Ảnh hƣởng của pH lên vật liệu CoNiP

Hình1.10: Sự biến đổi của lực kháng từ và tỉ số vng góc

Mr
vào độ pH
Ms

Hình 1.10(a) cho thấy sự thay đổi của lực kháng từ vào độ pH của dung dịch.
Khi độ pH của dung dịch tăng từ 2 đến 6, lực kháng từ theo phƣơng vng góc và
song song đều tăng. Nghiên cứu của Fenineche đã chứng minh lực kháng từ tăng
dần khi giá tri pH tăng từ 1,5 đến 3,5. Theo hình 1.10(b), tỉ số
ngồi vng góc tăng từ 0,009 đến 0,22 trong khi đó tỉ số

Mr
khi từ trƣờng
Ms

Mr
khi từ trƣờng ngoài
Ms

song song giảm từ 0,46 đến 0,13 khi độ pH tăng dần[13].
1.4. Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa.
Việc chế tạo bằng phƣơng pháp lắng đọng điện hóa mang lại nhiều tiện lợi

hơn so với các phƣơng pháp khác và nó đã đƣợc sử dụng rất phổ biến trong chế tạo
các dây nano kim loại. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là quy trình chế tạo mẫu đơn
giản, thời gian làm mẫu nhanh, thiết bị thực nghiệm nhỏ gọn, dễ di chuyển, khơng
địi hỏi nhiệt độ cao cũng nhƣ chân không cao. Hơn nữa, đối với phƣơng pháp này
có thể tạo ra đƣợc các dây nano từ tính nhiều đoạn một cách dễ dàng bằng việc thay
đổi dung dịch lắng đọng và thế lắng đọng.

23


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

1.4.1. Tế bào điện hóa.
1.4.1.1. Cấu tạo tế bào điện hóa.
Trong hình 1.11a là cấu tạo một tế bào điện hóa điển hình của thực nghiệm
chế tạo dây nano. Một tế bào điện hóa đơn giản nhất gồm 3 điện cực đƣợc nhúng
chìm trong dung mơi. Hình 1.11b mơ tả một điện cực cơ lập đƣợc tách ra từ dung
mơi. Tiến hành thí nghiệm với bình dung mơi, cất điện phân, một hay nhiều điện tử
hoạt tính, và thuốc thử, có thể xảy ra các q trình phản ứng với sản phẩm điện
phân. Trƣớc thí nghiệm ta phải loại bỏ oxi ở catot cơ thể gây cản trở cho việc quan
sát dòng phản hồi. Việc này thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách làm sạch dung dịch
với khí hiếm N2 hay Ar. Loại bỏ oxi cũng có thể đƣợc thực hiện bằng cách dùng
bơm chân khơng. Các thí nghiệm điện hóa có thể thực hiện trong túi, hộp đựng, hay
chân không của các loại điện cực hoạt tính dễ tiếp xúc với khơng khí và hơi nƣớc.

Hình1.11: a. Tế bào điện hóa điển hình

24


b. Điện cực được cô lập


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thu

1.4.1.2. Các loại điện cực
a. Điện cực làm việc
Những điện cực hình đĩa rắn đƣợc dùng rất phổ biến trong các thí nghiệm.

Hình1.12: Điện cực làm việc
Trong đó Platin, hay thủy tinh carbon, vàng, bạc hay các hợp chất vấn
thƣờng đƣợc sử dụng làm điện cực này. Việc sử dụng các loại điện cực cacbon cũng
đã đƣợc nghiên cứu. Điện cực giọt thủy ngân rất hữu ích cho điện cực hóa học trong
dung dịch nƣớc tại thế âm lớn vì phản ứng của điện cực hydro chậm hơn so với các
điện cực khác. Tuy nhiên, đối với việc làm khan và điện hóa tại thế dƣơng thì các
điện cực rắn đƣợc ƣu tiên hơn. Điện cực làm việc cần có các điện tử di chuyển dễ
dàng với các loại điện cực hoạt tính. Các nhân tố tạo điều kiện cho việc di chuyển
các điện tử phức tạp không phải lúc nào cũng đƣợc hiểu rõ, và sử lý sơ bộ cẩn thận
bằng cách đánh bong, làm sạch bằng siêu âm. Việc điện cực đóng cặn xuất hiện khá
dễ dàng nên đánh bong đôi khi là cần thiết. Những hiệu ứng không tốt nhƣ sụt thế
và thời gian tích điện dung (dung tích) đƣợc giảm bớt đáng kể khi bán kính điện cực
đƣợc làm nhỏ hơn. Hầu hết các nghiên cứu quét sơ bộ ở mức vừa phải đều sử dụng
điện cực có bán kính khoảng 0,2 cm.
b. Điện cực chuẩn (điện cực so sánh)
Hầu hết các điện cực chuẩn đƣợc sử dụng trong dung dịch là điện cực
Ag/AgCl và điện cực caloment. Nếu các bản cực chuẩn đƣợc sử dụng trong dung
môi khan, tuy nhiên, mặt tiếp xúc lớn của chất lỏng đã đƣợc sinh ra và thƣờng quan

trọng hơn sự nhiễm nƣớc của tế bào khơ. Vì vậy, đây là sự kết hợp khơng phù hợp.
Việc sử dụng điện cực Ag/AgCl đƣợc đề cử cho điện hóa học khan. Để tránh thế

25


×