TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
-------------------------
PHẠM NGỌC HƢNG
CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
TỪ ĐIỆN TRỞ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
Th.S Lê Khắc Quynh
HÀ NỘI - 2017
1
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Quynh,
người thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền
đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em làm khóa
luận.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Khoa Vật lý, Trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tập thể các thầy cô, anh chị làm việc và nghiên
cứu tại Phòng Thí Nghiệm Micro - Nano của Trường Đại học Công nghệ ĐHQGHN đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt thời gian em được học tập
nghiên cứu tại phòng.
Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè, gia
đình và bạn bè đã là nguồn cổ vũ to lớn trong suốt thời gian học tập và nghiên
cứu của con.
Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017
Sinh viên
Phạm Ngọc Hưng
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi
nguồn tài liệu đều được trích dẫn rõ ràng.
Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017
Sinh viên
Phạm Ngọc Hưng
3
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................ 6
MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 1........................................................................................................ 11
TỔNG QUAN .................................................................................................... 11
1.1. Khái niệm về cảm biến sinh học ......................................................................... 11
1.2. Phân loại cảm biến sinh học ................................................................................ 12
1.3. Một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở ứng dụng trong
biochip ........................................................................................................................ 17
1.4. Lựa chọn cảm biến AMR cho ứng dụng sinh học ............................................. 24
1.5. Kết luận ................................................................................................................. 25
CHƢƠNG 2........................................................................................................ 26
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................... 26
2.1. Thiết bị quay phủ ................................................................................................. 26
2.2. Hệ quang khắc ...................................................................................................... 27
2.3. Buồng xử lý mẫu và rung siêu âm ...................................................................... 28
2.4. Thiết bị phún xạ.................................................................................................... 29
2.5. Kính hiển vi quang học ........................................................................................ 30
2.6. Quy trình chế tạo cảm biến ................................................................................. 30
2.7. Khảo sát tính chất từ điện trở trên màng mỏng và trên cảm biến .................. 35
2.8. Kết luận ................................................................................................................. 37
CHƢƠNG 3........................................................................................................ 38
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 38
3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến ............... 38
3.2. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của cảm biến ................................................. 39
4
3.3. Phát hiện hạt từ bằng cảm biến .......................................................................... 40
3.4. Định hƣớng ứng dụng làm cảm biến sinh học phát hiện vi khuẩn gây bệnh . 41
3.5. Kết luận ................................................................................................................. 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 45
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc một cảm biến sinh học của D. Clark ........................ 11
Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của bio cảm biến ........................................ 13
Hình 1.3. Cảm biến sinh học dựa trên nguyên tắc huỳnh quang. ........... 14
Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của biocảm biến sử dụng công nghệ spin
điện tử...................................................................................................... 17
Hình 1.5. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R
(H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr} ............................................. 18
Hình 1.6. a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của
GMR ........................................................................................................ 19
Hình 1.7. Nguồn gốc vật lý của AMR .................................................... 20
Hình 1.8. Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng
của vectơ từ hóa ...................................................................................... 21
Hình 1.9. Sơ đầu đơn giản của mạch cầu Wheatstone ............................ 22
Hình 2.1. Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển ......... 26
Hình 2.2. Thiết bị quang khắc MJB4 ...................................................... 27
Hình 2.3. (a) Buồng xử lý mẫu và (b) Thiết bị rung siêu âm ................. 28
Hình 2.4. Thiết bi phún xạ catot ATC – 2000FC ................................... 29
Hình 2.5. Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến ............................ 31
Hình 2.6. Ảnh chụp mask điện trở loại đơn thanh ................................. 33
Hình 2.7. Ảnh chụp mask điện cực của mạch cầu Wheatstone ............... 34
Hình 2.8. Ảnh chụp cảm sau khi hoàn thiện dạng cấu trúc đơn thanh ... 35
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí bốn mũi dò trên bề mặt màn ............................... 36
Hình 2.10. (a) Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở (b) Thực nghiệm
khảo sát sự phụ thuộc thế ra vào từ trường ngoài. .................................. 37
6
Hình 3.1. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5
mA ........................................................................................................... 38
Hình 3.2 (a) Đường cong tín hiệu độ lệch thế trên cảm biến kích thước L
= 4 mm, W = 150 µm, t = 5 nm và (b) Đường cong độ nhạy tương ứng
với các dòng cấp 1 mA........................................................................... 39
Hình 3.3. (a) Đường cong tín hiệu độ lệch thế trên cảm biến kích thước L
= 4 mm, W = 150 µm, t = 5 nm và (b) Đường cong độ nhạy tương ứng
với các dòng cấp khác nhau .................................................................... 40
Hình 3.4. (a) Sơ đồ thực nghiệm phát hiện hạt từ của cảm biến loại đơn
thanh và (b) Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào lượng hạt từ theo thời
gian .......................................................................................................... 41
Hình 3.5. Mô hình cảm biến AMR phát hiện hạt từ trên thẻ SPA khi lai
với ADN đích và đánh dấu bằng hạt từ: (a) Sơ đồ mô tả, (b) Ảnh chụp
cảm biến và thẻ SPA trong cuộn Helmholtz, (c) Từ thông tạo ra bởi nam
châm ........................................................................................................ 42
7
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang
AZ5214-E................................................................................................ 32
Bảng 2.2. Thông số phún xạ màng điện trở ............................................ 34
Bảng 2.3. Các thông số phún điện cực.................................................... 35
8
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, dựa trên công nghệ nano các nhà khoa học đã
tạo ra các cảm biến sinh học đầu dò phân tử giúp chúng ta có thể tiếp cận và
nghiên cứu thế giới nhỏ bé bên trong các tế bào sinh vật với độ nhạy cao.
Ngoài ra có sự dò tìm chọn lọc và định lượng của tất cả các loại phân tử sinh
học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm
sàng và nghiên cứu y tế, trong kiểm soát ô nhiễm môi trường. Chẳng hạn
trong chuẩn đoán lâm sàng, nếu như ta phát hiện nhanh và sớm được các đối
tượng sinh học như mầm bệnh sẽ giúp cho việc ngăn chặn và nâng cao khả
năng được điều trị khỏi bệnh. Nghiên cứu các cảm biến sinh học hướng đến
sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh, cụ thể, bao gồm quy trình khép kín từ công
nghệ chế tạo vật liệu nano từ tính đến chế tạo cảm biến, từ việc nghiên cứu
các thông số cơ bản của vật liệu; đang là một xu hướng ưu tiên của khoa học
và công nghệ nano trong 20 năm đầu tiên của thế kỉ 21 nhằm vào mục tiêu
nâng cao chất lượng cuộc sống. Trong các cảm biến sinh học thì cảm biến dựa
trên hiệu ứng từ - điện có nhiều ưu điểm nổi trội hơn.
Ở Việt Nam hiện giờ đang có nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển về
lĩnh vực này, chế tạo và phát triển công nghệ nano và micro ứng dụng chế tạo
cảm biến tổ hợp sinh học. Chính vì vậy, việc xây dựng cơ sở phát triển các
vấn đề khoa học liên quan đến ngành khoa học vật liệu, khoa học công nghệ
nano, công nghệ sinh học và công nghệ chế tạo cảm biến là cần thiết.
Trên cơ sở đó, khóa luận này sẽ trình bày tổng quan về cảm biến sinh
học, cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở, nghiên cứu và chế
tạo cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone với mục đích phát hiện được hạt từ
ứng dụng vào trong y sinh học.
9
Đề tài nghiên cứu:“Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở”.
Khóa luận gồm 3 chƣơng :
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về cảm biến sinh học
Chƣơng 2: Trình bày các phương pháp, quy trình chế tạo cảm biến mạch
cầu Wheatstone dạng đơn thanh dài
Chƣơng 3: Trình bày, giải thích kết quả thực nghiệm, từ đó rút ra kết
luận
10
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm về cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung
cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm
phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) hay còn gọi là thụ cảm sinh học kết
hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (tranduceur)”[7].
Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme,
các kháng thể…. để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất. Do vậy cấu tạo
của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hóa học,
thành phần sinh học và thành phần vật lý.
Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh
vực cảm biến sinh học [12]. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy
of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học, và ông đã đưa
ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học.
Hình 1.1. Cấu trúc một cảm biến sinh học của D. Clark
11
Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa,
trên đó có màng giữ enzyme glucose. Khi mật độ glucose trong môi trường
phản ứng giảm thì dòng điện sinh ra giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự
thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi
trường cần kiểm tra.
Cùng sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là
các ngành công nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, cảm biến sinh học
cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc, hứa hẹn đưa ra những vi thiết bị nhằm
xác định nhanh, chính xác các loại vi khuẩn, virut gây bệnh. Các thiết bị này
cũng có thể dò tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nm) với độ tin cậy
cao.
Một lĩnh vực ứng dụng mới rất được quan tâm của các vật liệu sử dụng
công nghệ spin điện tử có cấu trúc nano là việc kết hợp nó với công nghệ sinh
học và y sinh học. Việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất
quan trọng trong ngành công nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và
nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học. Đặc biệt, nó đang mở ra một
khả năng lớn trong việc phát triển các công cụ vừa có giá trị sử dụng vào vừa
có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đoán
các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lượng của gen và nhận biết
tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí
hóa học.
1.2. Phân loại cảm biến sinh học
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại cảm biến sinh học. Tuy nhiên
về nguyên lý cơ bản có các kiểu dò tìm cơ bản sau :
Dò tìm theo phương pháp phát huỳnh quang
Dò tìm sử dụng các hạt nano
Dò tìm sử dụng phương pháp điện hóa
12
Dò tìm bằng phương pháp phóng xạ
Dò tìm theo phương pháp độ nhạy khối lượng
Dò tìm theo phương pháp độ nhạy điện tích
Dò tìm phụ thuộc vào độ nhạy của hệ số khúc xạ
Sự ôxi hóa của điện cực guanine
Cảm biến từ dựa trên kỹ thuật điện tử spin
Ở trên thế giới hiện nay, hai phương pháp dò tìm bằng đánh dấu huỳnh
quang và bằng công nghệ spin điện tử được sử dụng rộng rãi nhất. Về cấu
trúc, các cảm biến sinh học có 2 thành phần chính: phần nhận biết tín hiệu
sinh học và bộ chuyển đổi. Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống một phần
tử sinh học, nó nhận dạng các tương tác sinh học. Bộ chuyển đổi sẽ biến tín
hiệu nhận được thành tín hiệu vật lý để nhận biết.
Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của bio cảm biến
1.2.1. Cảm biến sinh học sử dụng phƣơng pháp huỳnh quang
Với những đặc tính riêng, phương pháp quang mang lại sự tiện lợi cho
việc nghiên cứu y sinh. Các cảm biến dựa trên tính chất quang của vật liệu
được phát triển áp dụng nhằm theo dõi và phát hiện các đối tượng sinh học
13
hoặc quá trình sinh học diễn ra bên trong cơ thể sinh vật hay nội tế bào sinh
vật.
So với phương pháp khác, các cảm biến dùng phương pháp quang có thể
không cần xâm nhập vào tế bào, không làm tổn hại hoặc phá hủy tế bào mà
vẫn thu được thông tin cần thiết với độ nhạy cao. Cảm biến sinh học sử dụng
phương pháp huỳnh quang có thể theo dõi trực tiếp sự di chuyển của các
kháng nguyên, phản ứng miễn dịch giữa kháng nguyên và kháng thể [1].
Hình 1.3. Cảm biến sinh học dựa trên nguyên tắc huỳnh quang.
Một số loại cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang hiện
này: cảm biến giúp phát hiện tế bào ưng thu, theo dõi quá trình phân tử trong
tế bào sống, đo nồng độ đường trong máu, đầu đo DNA siêu nhậy, cảm biến
phát hiện vi khuẩn trong không khí, cảm biến phản ứng miễn dịch huỳnh
quang….
1.2.2. Cảm biến sinh học điện cực Enzyme (điện cực E không tan)
Thành phần cấu tạo của điện cực này chính là Enzyme được cố định trên
bề mặt của điện cực, đáp ứng với nồng độ của một trong các cơ chất hoặc các
sản phầm của phản ứng do enzyme xúc tác. Enzyme có thể là một lớp gel
mỏng bao quanh cảm biến điện hoặc tiếp xúc với cảm biến này nhờ màng
thấm chọn lọc. Cơ chế đi qua lớp gel hay màng chọn lọc, tiếp xúc với E và
14
chuyển hóa thành sản phẩm. Để vận chuyển điện tử một cách thuận lợi thì
người ta dùng chất trung gian bao ngoài điện cực. Đó là các kim loại hữu cơ,
thường là ferrocenes [4].
Cảm biến do sự sai khác dòng điện nhờ điện thế đặt giữa phần nhạy cảm
của điện cực thí nghiệm và điện cực so sánh. Ở điện thế đặt vào, một phân tử
E có thể chuyển đổi điện tử với về mặt điện cực. Dòng điện đi qua cực phản
ánh nồng độ của phân tử này, sự thay đổi dòng điện tỉ lệ với nồng độ cơ chất.
Cảm biến sinh học bằng phương pháp điện hóa là một phương pháp hiệu
quả, có khả năng áp dụng thực tiễn trong phân tích nhanh trên các đối tượng y
sinh.
1.2.3. Cảm biến sinh học sử dụng hạt nano
Các hạt nano có nhiều ứng dụng trong cảm biến sinh học, ví dụ như các
hạt nano chức năng (điện, quang, từ) gắn kết với các phần tử sinh học (như:
petit, protein, niclei axit…) đã được chế tạo để sử dụng trong cảm biến sinh
học để dò và khuếch đại nhiều loại tín hiệu. Các cảm biến loại này bao gồm
cảm biến sóng âm học, cảm biến quang sinh, cảm biến điện và từ…
Phương pháp sử dụng hạt nano từ làm tác nhân phát hiện và đo đạc hàm
lượng các hoạt chất sinh học đã và đang được quan tâm rất lớn trong các
nghiên cứu ứng dụng y sinh. Nhờ có tính tương thích sinh học cao thông qua
lớp hoạt hóa bề mặt mà các hạt nano từ có khả năng tạo liên kết đặc hiệu với
các phân tử hoạt chất cần đo đạc. Do có liên kết đặc hiệu như vậy nên hàm
lượng các phân tử hoạt chất được xác định thông qua số hạt nano từ. Một cảm
biến sinh học sử dụng phần tử nhạy làm từ vật liệu GMR kết hợp với một kỹ
thuật đo từ mới được nghiên cứu có thể xác định được số lượng các hạt từ nhờ
phép đo từ trường cảm ứng của chúng. Kỹ thuật này cho thấy khả năng đo đạc
các hàm lượng sinh học rất nhỏ với phép đo nhanh và không cần dùng tới
màn chắn từ.
15
1.2.4. Cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ
Ý tưởng cơ bản của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ spin điện tử
hay cảm biến sinh học từ tính là thay thế việc đánh dấu bằng huỳnh quang
truyền thống sử dụng các hạt quang bởi sử dụng hạt (label) từ. Thay vì nhận
biết các phân tử sinh học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh
quanh quang học hay lazer, chúng ta có thể sử dụng các thành tố spintronic,
như sensor sử dụng hiệu ứng từ điện trở có thể nhận biết từ trường của các hạt
từ và trực tiếp biến thành các tín hiệu điện với giá thành rẻ. Hơn nữa, do tính
chất phi từ tính của các phân tử sinh học nên tín hiệu nền sẽ giảm đi rất nhiều
so với phương pháp huỳnh quang. Một thế mạnh khác của biocảm biến sử
dụng hiệu ứng spintronic là có độ nhạy cao, hưởng ứng nhanh, dễ tích hợp và
dễ tự động hóa, khiến cho nó có khả năng cùng một thời điểm phân tích nhiều
mẫu sinh học [5].
Sơ đồ cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ spin điện tử
được biểu diễn như Error! Reference source not found., bao gồm một dãy
ác phần từ cảm biến; một dãy các đầu dò (các phần tử sinh học đã biết như
các chuỗi nucleotide đặc trưng của các gen hoặc các kháng thể) được cố định
trên bề mặt các cảm biến (thông qua các chấm micro hoặc các dãy được sắp
xếp theo đặc trưng điện hoặc từ); một buồng lai hóa; và một cơ cấu dùng để
sắp xếp các bia (target) tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các phân tích
phân tử tích điện như ADN hoặc các dãy đường tạo từ trường cho các bia
được gắn hạt từ).
16
Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của biocảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử.
Các đối tượng dò tìm (phân tử sinh học trong mẫu dùng để nhận dạng như
chuỗi ADN phần bù phù hợp với đầu dò ADN cố định, hoặc các kháng
nguyên tương ứng với các kháng thể cố định) được nhỏ lên cảm biến để quá
trình nhận dạng được tiến hành. Các phân tử này có thể được gắn hạt từ tính
trước hoặc sau bước lai hóa (recognition). Các hạt từ thường là các hạt siêu
thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư trong thiên nhiên với kích cỡ nano hoặc
micro mét và có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học. Dưới tác dụng
của từ trường, các hạt này sẽ bị từ hóa và từ độ tổng cộng xuất hiện. Từ
trường sinh ra từ các hạt từ bị từ hóa có thể thay đổi điện trở của cảm biến sử
dụng công nghệ spin điện tử, do đó có thể giúp chúng ta nhận biết được các
phân tử sinh học cần phân tích.
1.3. Một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở ứng dụng
trong biochip
1.3.1. Cảm biến từ điện trở khổng lồ
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto resistance – GMR) là một
hiệu ứng cơ lượng tử và thường được quan sát thấy trên màng tổ hợp của các
lớp kim loại sắt từ và các lớp kim loại không từ tính xen kẽ. Hiệu ứng này
17
được biểu hiện dưới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện
trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp
khi có từ trường ngoài tác dụng vào. Cấu trúc của một GMR chuẩn bao gồm 3
lớp vật liệu (Lớp sắt từ (FM)/Lớp phi từ (NM)/Lớp sắt từ (FM)). Ở trang thái
ban đâu (khi chưa từ hóa theo từ trường bên ngoài),do tương tác RKKY giữa
các lớp sắt từ lân cận trở nên tương tác phản sắt từ nên các mô-men từ của 2
lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Ở trạng thái này các điện tử
bị tán xạ nhiều khi đi qua lớp vật liệu cảm biến do điện trở của cảm biến lớn.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ có xu hướng định
hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường. Đồng thời với quá
trình quay đó của vectơ từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh.
Hình 1.5. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R
(H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr}
18
Hình 1.6. a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GMR
1.3.2. Cảm biến từ điện trở dị hƣớng
1.3.2.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng
Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ
trường [9]. Hiệu ứng từ điện (MaganetoResistance – MR) là sự thay đổi điện
trở của một vật dẫn gây bởi từ trường. Nguồn gốc của MR từ sự kết hợp cặp
spin –quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử
mạng.Thông thường MR được định nghĩa bằng tỉ số :
(1.1)
Với
lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn
khi không có từ trường ngoài và có từ trường đặt vào [2].
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR – Anisotropic Magneto resistance)
cũng bắt nguồn từ kết cặp spin – quỹ đạo, nhưng tồn tại trong các vật liệu có
mô-men từ dị hướng.Hiệu ứng AMR phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật
liệu và spin của các nguyên tử tron tinh thể, phụ thuộc vào cấu trúc đô-men
của vật liệu sắt từ.Về bản chất, hiệu ứng từ điện trở dị hướng chính là sự phụ
thuộc điện trở vào góc giữa vectơ từ độ và chiều dòng điện. Nguyên nhân
xuất hiện hiệu ứng này là do xác suất tán xạ điện tử s-d sẽ khác nhau theo
phương khác nhau của từ trường tác dụng. Ta có thể hiểu đơn giản như sau :
Nếu từ trường được định hướng vuông góc với chiều dòng điện thì khi đó quỹ
19
đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và như
vậy sẽ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ điện tử,dẫn đến vật dẫn có điện
trở nhỏ.Ngược lại,khi từ trường áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ
đạo chuyển động của điện tử được định hướng vuông góc với chiều dòng
điện,và mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn đến vật dẫn có điện trở
cao.Hiệu ứng này có trên các kim loại sắt từ như Fe, Co, Ni …. và hợp kim
của chúng thường khá lớn hơn so với các kim loại không từ. Nguyên nhân
chủ yếu là do trong chất sắt từ có các miền từ hóa tự nhiên (đô-men). Mô-men
của các nguyên tử trong từ đô-men nằm song song và cùng chiều tạo ra véc tơ
từ độ từ hóa của từng đô-men khá lớn. Tuy nhiên, khi không có từ trường
ngoài, các véc tơ từ độ của đô-men định hướng hỗn loạn nên véc tơ từ độ tổng
cộng của mẫu bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng theo một phương
nào đó, véc tơ từ độ từ hóa các đô-men một mặt quay theo từ trường ngoài,
mặt khác thể tích của các đô-men có các véc tơ từ độ từ hóa cùng chiều với từ
trường ngoài lớn dần lên. Kết quả là từ trường tổng hợp bên trong mẫu có thể
có cường độ hang nghìn lần lớn hơn so với từ trường tác dụng bên ngoài.
Dòng điện trong mẫu chịu ảnh hưởng trực tiếp của từ trường nội rất mạnh do
hiệu ứng từ điện trở của chúng là khá lớn [8].
Hình 1.7. Nguồn gốc vật lý của AMR
Để giải thích hiệu ứng từ trở dị hướng (AMR) trong màng mỏng của vật
liệu từ, giả định rằng, vectơ từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão
hòa ⃑⃑⃑⃑⃑ , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của
20
- Xem thêm -