ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
--------o0o--------

LÊ VIỆT CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ
NỀN Fe CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
--------o0o--------

LÊ VIỆT CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ
NỀN Fe CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO


Lê Việt Cường


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này do
tôi thực hiện. Kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, các tài liệu tham khảo
được trích dẫn đầy đủ.
Tác giả

Lê Việt Cường


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................5
1.1. Từ tính và các vật liệu từ ......................................................................................5
1.1.1. Một số đại lượng từ cơ bản.......................................................................6
1.1.2. Phân loại vật liệu từ ..................................................................................7
1.1.3. Vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm .........................................................9
1.1.4. Dị hướng từ ............................................................................................13
1.1.5. Hạt từ kích thước micro và nano mét .....................................................14
1.1.6. Tính chất từ của các phần tử sinh học ....................................................15
1.2. Kỹ thuật điều khiển các đối tượng kích thước micro và nano ...........................20
1.2.1. Nguồn từ trường .....................................................................................25
1.2.2. Điều khiển các vi đối tượng bằng lực từ: bắt giữ ...................................27
1.2.3. Điều khiển các vi đối tượng bằng lực từ: dẫn đường .............................32
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .....................................39

trúc từ ........................................................................................................................69
3.4.2. Vi cấu trúc từ NdFeB trên đế Si đã tạo hình ..........................................80
3.4.3. Vi cấu trúc từ FePt trên đế Si .................................................................82
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ MÀNG TỪ TÍNH VÀ VI
CẤU TRÚC TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN ......................................................86
4.1. Vi cấu trúc từ NdFeB trên nền PDMS bằng phương pháp in từ ........................86
4.2. Màng từ và vi cấu trúc từ bằng phương pháp in phun .......................................90
4.2.1. Chế tạo dung dịch in có từ tính ..............................................................90
4.2.2. Màng từ và vi cấu trúc từ .....................................................................100
CHƯƠNG 5. THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG .......................................................113
5.1. Bắt giữ hạt từ ....................................................................................................114
5.2. Bắt giữ phần tử sinh học ..................................................................................120


5.2.1. Vi cấu trúc từ NdFeB trên đế Si đã tạo hình ........................................121
5.2.2. Vi cấu trúc từ NdFeB trên nền PDMS .................................................125
KẾT LUẬN ............................................................................................................127
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ........................................................129
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................130


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ. .........7
Hình 1. 2. Vách Bloch giữa các đômen trong vật liệu sắt từ (a), các vách Bloch
trong vật liệu sắt từ bị loại bỏ bởi từ trường ngoài có cường độ tăng dần. Từ trường
ngoài có cường độ tăng dần được biểu diễn bằng mũi tên màu xám (b). .................10
Hình 1. 3. Các đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu từ cứng và vật liệu từ
mềm (a), sự thay đổi giá trị của năng lượng (BH) theo từ trường ngoài (b). ...........10
Hình 1. 4. Sự phát triển của của các vật liệu từ cứng trong thế kỷ 20 và sự so

Hình 1. 16. Phân tách các tế bào RBC và WBC dưới tác dụng của từ trường do
miếng sắt từ Ni gây ra [40, 41]. ................................................................................34
Hình 1. 17. Các thanh nam châm từ mềm làm lệch quỹ đạo chuyển động của
các tế bào (a) [48] và các đối tượng được đánh dấu từ (b) [1]. .................................34
Hình 1. 18. Hệ thống làm lệch quỹ đạo chuyển động được phát triển bởi nhóm
nghiên cứu của Fulcrand (a) [30] và nhóm nghiên cứu của Shevkoplyas (b) [103]. 35
Hình 2. 1. Sơ đồ minh họa hệ thiết bị phún xạ. ...............................................39
Hình 2. 2. Các bước của quá trình chế tạo cấu trúc từ sử dụng công nghệ quang
khắc (a – e) và hình ảnh thực tế cấu trúc từ thu được (f). .........................................40
Hình 2. 3. Cấu hình mặt nạ được sử dụng trong kỹ thuật quang khắc để chế tạo
vi cấu trúc từ. .............................................................................................................41
Hình 2. 4. Các bước của quá trình chế tạo cấu trúc từ sử dụng các đế Si đã được
tạo hình (a, b) và ví dụ của các cấu trúc thực tế (c, d) [27, 119]. ..............................42
Hình 2. 5. Sơ đồ minh họa các bước của quá trình chế tạo cấu trúc từ bằng
phương pháp in từ [26]. .............................................................................................43


Hình 2. 6. Thiết bị in Dimatix DMP 2831. ......................................................44
Hình 2. 7. Quá trình hình thành giọt mực bằng việc cấp dòng cho điện trở [112].
...................................................................................................................................45
Hình 2. 8. Một chu kì xung điển hình trong thiết bị in sử dụng sự biến dạng của
vật liệu áp điện để hình thành và giải phóng giọt mựcgồm 4 giai đoạn. ..................46
Hình 2. 9. Quá trình hình thành giọt mực bằng cách sử dụng sự biến dạng của
miếng vật liệu áp điện. ..............................................................................................46
Hình 2. 10. Sơ đồ biểu diễn cơ chế nhiễu xạ tia X. .........................................48
Hình 2. 11. Sơ đồ biểu thị hình ảnh thu được trên lớp màng MOIF được đặt trên
màng mỏng từ có các mômen từ liền kề ngược chiều nhau khi có ánh sáng phân cực
chiếu qua. ..................................................................................................................49
Hình 2. 12. Hình ảnh bề mặt của một đầu dò Hall với ba vùng làm việc có kích
thước khác nhau (a), sơ đồ khối của một hệ hiển vi đầu dò quét Hall điển hình (b)

Hình 3. 13. Mô hình vi cấu trúc từ gồm các nam châm dạng thanh với chiều
rộng thanh thay đổi từ 10 µm tới 50 µm. ..................................................................71
Hình 3. 14. Đồ thị biểu diễn Bz dọc theo đường quét đi qua chính giữa các thanh
nam châm (a) và theo đường quét đi qua mép các thanh nam châm (b) tại các độ cao
cách bề mặt vi cấu trúc 10 µm, 25 µm và 50 µm. .....................................................72
Hình 3. 15. Đồ thị biểu diễn dBz/dy (a) và dBz/dz (b) dọc theo đường quét đi
qua chính giữa các thanh nam châm tại các d cách bề mặt vi cấu trúc 10 µm, 25 µm
và 50 µm. ...................................................................................................................73
Hình 3. 16. Đồ thị biểu diễn Bz dọc theo đường quét đi qua chính giữa các thanh
nam châm có t thay đổi tại các d cách bề mặt vi cấu trúc 10 µm (a) và 25 µm (b). .74


Hình 3. 17. Đồ thị biểu diễn dBz/dy dọc theo đường quét đi qua chính giữa các
thanh nam châm có t thay đổi tại các độ cao cách bề mặt vi cấu trúc 10 µm (a) và 25
µm (b). .......................................................................................................................75
Hình 3. 18. Đồ thị biểu diễn dBz /dz dọc theo đường quét đi qua chính giữa các
thanh nam châm có t thay đổi tại các độ cao cách bề mặt vi cấu trúc 10 µm (a) và 25
µm (b). .......................................................................................................................75
Hình 3. 19. Mô hình vi cấu trúc từ bao gồm các thanh nam châm (a) và vi cấu
trúc từ bao gồm các nam châm vuông (b). ................................................................76
Hình 3. 20. Đồ thị biểu diễn Bz dọc theo đường quét đi qua chính giữa vi cấu
trúc từ trong cấu hình gồm các thanh nam châm (a) và cấu hình gồm các nam châm
vuông (b) tại các d khác nhau. ..................................................................................77
Hình 3. 21. Đồ thị biểu diễn dBz/dy dọc theo đường quét đi qua chính giữa các
vi cấu trúc từ trong cấu hình gồm các thanh nam châm (a) và các nam châm vuông
(b) tại các d khác nhau. .............................................................................................77
Hình 3. 22. Đồ thị biểu diễn dBz/dz dọc theo đường quét đi qua chính giữa các
vi cấu trúc từ trong cấu hình gồm các thanh nam châm (a) và các nam châm vuông
(b) tại các d khác nhau. .............................................................................................78
Hình 3. 23. Đồ thị biểu diễn Bz (a), dBz/dy (b) và dBz/dz (c) dọc theo đường

nghiền trong 4 giờ (b)................................................................................................92
Hình 4. 9. Giản đồ XRD (a) và đường cong từ trễ (b) của hạt NdFeB nghiền
trong các thời gian khác nhau. ..................................................................................94
Hình 4. 10. Đường cong từ trễ của các dung dịch N1, N2 và N3....................96
Hình 4. 11. Phân bố kích thước (a), giản đồ XRD (b) và đường cong từ trễ (c)
của hạt Fe3O4 sử dụng pha vào dung dịch nền. .........................................................98


Hình 4. 12. Đường cong từ trễ của dung dịch F1, F2 và F3. ...........................99
Hình 4. 13. Hình ảnh màng từ 55 mm2 thực tế chế tạo được (a), hình ảnh mặt
cắt (b), đường cong từ trễ (c) và hình thái học bề mặt (d) của màng. .....................101
Hình 4. 14. Hình ảnh vi cấu trúc từ thực tế chế tạo được (a), hình ảnh mặt cắt
(b), đường cong từ trễ (c) và hình thái học bề mặt (d) của các màng từ đơn trong vi
cấu trúc từ. ...............................................................................................................102
Hình 4. 15. Giá trị tính toán của Bz (a), dBz/dy (b) và dBz/dz (c) trên bề mặt vi
cấu trúc từ chứa các hạt NdFeB chế tạo bằng phương pháp in phun tại các d khác
nhau dọc theo đường quét đi qua chính giữa các màng từ đơn...............................103
Hình 4. 16. Hình ảnh vi cấu trúc thực tế được in bằng dung dịch MFL-003 DMP
(a), chiều dày (b) và hình thái học bề mặt của một ô vuông đại diện trong vi cấu trúc
(c). ...........................................................................................................................105
Hình 4. 17. Vi cấu trúc từ 1 lớp thực tế in bằng dung dịch F3 (a), chiều dày (b)
và hình thái bề mặt của một ô vuông đại diện trong vi cấu trúc (c). .......................106
Hình 4. 18. Vi cấu trúc từ 2 lớp thực tế in bằng dung dịch F3 (a), chiều dày (b)
và hình thái bề mặt của một ô vuông đại diện trong vi cấu trúc (c). .......................107
Hình 4. 19. Vi cấu trúc từ 3 lớp thực tế in bằng dung dịch F3 (a), chiều dày (b)
và hình thái bề mặt của một ô vuông đại diện trong vi cấu trúc (c). .......................108
Hình 4. 20. Đường cong từ trễ của các vi cấu trúc in bằng dung dịch nền MFL003 DMP và in bằng dung dịch F3 với số lớp in là 1, 2, 3 lớp. ..............................109
Hình 4. 21. Các giá trị tính toán về Bz (a), dBz/dy (b) và dBz/dz (c) dọc theo
đường quét đi qua chính giữa các ô vuông trong vi cấu trúc từ chứa các hạt Fe3O4 tại
một số độ cao trên bề mặt vi cấu trúc từ. ................................................................110

trúc từ (b). ................................................................................................................124


Hình 5. 12. Phân bố của các tế bào T-47D trên bề mặt vi cấu trúc từ NdFeB
trong nền PDMS (a), đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tổng lực tác động lên tế bào
theo phương z vào khoảng cách d tính từ bề mặt cấu trúc từ (b). ...........................125


DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT

Kí hiệu, chữ viết tắt

Ý nghĩa

1

µ

Độ từ thẩm

2



Độ cảm từ

3


Từ trường dị hướng

9

HC

Lực kháng từ

10

HC

Lực kháng từ vuông góc mặt phẳng màng

11

HS

Từ trường bão hòa

12

M

Từ độ

13

MS


Nhiệt độ ủ

19

TS

Nhiệt độ đế

Tích năng lượng cực đại


STT

Kí hiệu, chữ viết tắt

Ý nghĩa

20

AFM

Hiển vi lực nguyên tử

21

DEF

Lực nâng nghịch điện

22


SEM

Hiển vi điện tử quét

29

T-47D

Một loại tế bào ung thư vú

30

VSM

Từ kế mẫu rung

31

WBC

Tế bào bạch cầu

32

XRD

Nhiễu xạ tia X

Phương song song với mặt phẳng màng

hệ thống sinh học, các hạt từ còn có thể được sử dụng để dánh dấu từ cho các tế bào
sinh học. Vì vậy một số lượng lớn các ứng dụng liên quan tới việc bắt giữ, điều khiển
các hạt từ dưới tác dụng của các nguồn từ trường đã được triển khai. Bên cạnh đó, đa

1


số các loại tế bào sinh học trong các nghiên cứu đã công bố có tính nghịch từ [6, 9,
123, 124, 128, 133] nên chúng ta có thể sử dụng các nguồn từ trường để tác động lực
điều khiển trực tiếp lên các tế bào sinh học. Trong các nghiên cứu đã được công bố,
từ trường được tạo ra bằng cách sử dụng các nam châm khối, nam châm điện hoặc
các nam châm bằng vật liệu từ mềm được phân cực bởi từ trường ngoài [1, 28, 30,
37, 40, 46, 48-50, 125]. Tuy nhiên các nguồn từ trường loại này bộc lộ một số hạn
chế như: lực từ được tạo ra bởi các nam châm khối thường bị giới hạn trong một vùng
không gian hạn chế xung quanh các cạnh và rất gần với chúng; các nam châm điện
cần phải có nguồn điện bên ngoài và tạo ra nhiệt Joule; nam châm từ mềm không tạo
ra nhiệt nhưng chỉ hoạt động khi được phân cực bởi từ trường của nam châm khối
hoặc nam châm điện bên ngoài. Các hạn chế và nhược điểm này đã dẫn tới một mong
muốn là phải có các nguồn từ trường tự động với độ ổn định cao, cường độ từ trường
và sự biến thiên từ trường lớn trong vùng không gian mong muốn mà không cần các
nguồn nuôi bên ngoài.
Các màng từ tính kích thước micro-nano đã được nghiên cứu và phát triển trong
những năm qua. Các màng có tính chất từ tốt phổ biến hiện nay là các màng hợp kim
của Fe như Fe3O4, NiFe, NdFeB, FePt,… với tính chất từ có thể điều khiển được trong
quá trình chế tạo [79, 101, 102, 108, 109, 116]. Chúng có thể được chế tạo với các
phương pháp khác nhau như phún xạ, lắng đọng điện hóa, in,… Một số khó khăn hiện
nay đó là cần tạo ra các dãy màng từ chất lượng tốt có kích thước các cạnh bề mặt từ
vài µm đến vài mm và chiều dày từ vài trăm nm đến vài µm hoặc vài chục µm (vi
cấu trúc từ); khả năng tích hợp thành các thiết bị để có thể tác động lực lớn đến các
đối tượng nhỏ ở khoảng cách xa, đặc biệt là các tế bào sinh học. Những phát triển

án có ý nghĩa trong việc cho thấy khả năng chế tạo và phát triển vi cấu trúc từ có từ
trường và biến thiên từ trường lớn ở trong nước. Việc có thể chế tạo được vi cấu trúc
từ với từ trường và biến thiên từ trường lớn, đặc biệt là việc phát triển thêm phương
pháp chế tạo vi cấu trúc từ cho thấy khả năng chủ động trong chế tạo vật liệu từ có
cấu hình mong muốn. Việc bắt giữ các hạt từ tính và tế bào sinh học ở những vị trí
xác định trên các vi cấu trúc từ cho phép chúng ta nghiên cứu tiếp về các khả năng
ứng dụng.
3


Bố cục của luận án gồm phần mở đầu, 5 chương nội dung và phần kết luận.
Kết quả của luận án được công bố trong 06 bài báo khoa học trên các tạp chí chuyên
ngành và kỷ yếu hội nghị.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày một số khái niệm liên quan tới từ
trường, vật liệu từ và các tính chất từ cơ bản. Cùng với đó là tổng quan về các vi hệ
thống được sử dụng hiện nay để điều khiển các đối tượng kích thước micro-nano (hạt
từ, hạt phi từ, tế bào sinh học).
1.1. Từ tính và các vật liệu từ
Từ tính là một trong những lĩnh vực quan trọng của khoa học và cuộc sống với
lịch sử nghiên cứu lâu đời và có những bước phát triển mạnh mẽ. Khái niệm “từ tính”
xuất hiện trong hầu hết các thiết bị và hiện tượng thường ngày. Thuộc tính từ của một
số vật liệu đã được biết tới trong nhiều thiên niên kỷ qua. Các tài liệu cho thấy các
hiện tượng từ được tìm thấy đầu tiên ở Trung Quốc 4000 năm trước Công nguyên.
Vật chất có từ tính được phát hiện đầu tiên vào thời gian này là đá nam châm

chiều của cảm ứng từ 𝐵
⃗ = 𝜇0 𝐻
⃗
𝐵

(1. 1)

với µ0 = 4×10-7 (không có đơn vị theo hệ CGS, là H/m theo hệ SI) là độ từ thẩm của
chân không.
Xét về thuộc tính, mỗi vật liệu từ có một từ trường nội tại khi được đặt trong từ
⃗ , thể hiện qua từ độ 𝑀
⃗⃗ (đây là đại lượng được đo bằng tổng các mômen
trường ngoài 𝐻
từ bên trong vật liệu trên một đơn vị thể tích, có đơn vị theo hệ CGS là emu/cm3 hoặc
⃗⃗ được thay thế bằng vectơ phân cực từ 𝐽.
emu/g). Trong nhiều tài liệu, vectơ từ độ 𝑀
⃗ sẽ bao gồm cả thành phần của từ trường ngoài 𝐻
⃗ và từ độ 𝑀
⃗⃗ bên
Do đó cảm ứng từ 𝐵
trong vật liệu:
⃗ = 𝜇0 (𝐻
⃗ +𝑀
⃗⃗ )
𝐵

(1. 2)

⃗⃗ và cường độ từ trường 𝐻
⃗ có thể được biểu diễn theo

tuyến và có thể suy ra từ đường cong M(H). Dựa vào giá trị của độ cảm từ, các vật
liệu từ thường được phân loại thành ba nhóm chính: vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận
từ và vật liệu sắt từ (hình 1.1).

Hình 1. 1. Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ.
- Vật liệu nghịch từ (diamagnetism) là vật liệu chỉ chứa các nguyên tử và phân
tử không có mômen từ tĩnh. Khi được đặt trong từ trường ngoài, từ độ của các vật
liệu này rất nhỏ và ngược hướng với từ trường ngoài. Độ cảm từ có giá trị âm nằm
trong khoảng từ -10-6 tới -10-4 và không thay đổi theo nhiệt độ. Tính nghịch từ tồn tại
trong tất cả các loại vật liệu, ngay cả trong các loại vật liệu từ khác. Tác động của vật
liệu nghịch từ yếu hơn nhiều so với các loại vật liệu khác và thường được bỏ qua.
Một vài vật liệu nghịch từ phổ biến được sử dụng trong các vi hệ thống là nước (  =
-9,06×10-6), silic ( = -14,0×10-6), cacbon ( = -16,0×10-6), đồng ( = -22,0×10-6).
Vật liệu tự nhiên có tính nghịch từ lớn nhất là bismuth ( = -175,0×10-6), chỉ xếp sau
graphite pyrolytic tổng hợp có định hướng cao ( = -450,0×10-6) [36, 38]. Những vật
7