ĐạI HọC QUốC GIA Hà NộI TRƯờNG ĐạI HọC CÔNG NGHệ BùI ĐìNH Tú CHế TạO Và NGHIÊN CứU MộT Số CấU TRúC SPIN - ĐIệN Tử MICRÔ-NANÔ ứNG DụNG TRONG CHíP SINH HọC LUậN áN TIếN Sĩ Vật Liệu Linh kiện naNô Hà Nội, 2013 140 ĐạI HọC QUốC GIA Hà NộI TRƯờNG ĐạI HọC CÔNG NGHệ _ BùI ĐìNH Tú CHế TạO Và NGHIÊN CứU MộT Số CấU TRúC SPIN - ĐIệN Tử MICRÔ-NANÔ ứNG DụNG TRONG CHíP SINH HọC Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUậN áN TIếN Sĩ Vật Liệu Linh kiện nanô Ng-ời h-ớng dẫn khoa học TS Trần Mậu Danh GS.TS Nguyễn Hữu Đức Hà Nội, 2013 141 LI CAM OAN Tụi xin cam oan nhng kt qu nghiờn cu khoa hc lun ỏn l kt qu ca tụi v cỏc cỏn b hng dn Cỏc xut bn c cụng b chung vi cỏc cỏc b hng dn khoa hc v cỏc ng nghip v ngoi nc ó c s ng ý bng bn ca cỏc ng tỏc gi trc a vo lun ỏn Cỏc kt qu trỡnh by lun ỏn l trung thc, cha c cụng b v s dng bo v bt c mt cụng trỡnh no khỏc Ngi cam oan Bựi ỡnh Tỳ 126 MC LC Trang Trang ph bỡa Li cam oan Mc lc Danh mc cỏc ký hiu v ch vit tt Danh mc cỏc bng Danh mc cỏc hỡnh v, th M U Chng TNG QUAN CHP S INH HC DA TRấN CC HIU NG IN T 1.1 M u .4 1.2 Nguyờn lý chung ca chớp sinh hc 1.3 Cỏc loi cm bin da trờn hiu ng t 1.3.1 Cm bin t in tr d hng 1.3.2 Cm bin t tr khng l (GMR) .10 1.3.3 Cm bin cu trỳc van-spin (SV) 12 1.3.4 Cm bin da trờn hiu ng Hall thng 13 1.3.5 Cm bin da trờn hiu ng t in tr xuyờn hm (TMR) 14 1.3.6 Cm bin da trờn hiu ng Hall phng (PHE) .15 1.3.7 So sỏnh v nhn xột 24 1.3.8 La chn vt liu ch to cm bin Hall phng 25 1.4 Kt lun 27 Chng 2: PHNG PHP THC NGHIM 28 2.1 Ch to mng mng bng phng phỏp phỳn x ca-tt 28 2.1.1 Thit b phỳn x ATC-2000FC 28 2.1.2 quy trỡnh ch to mu mng mng cú hiu ng Hall phng 30 2.1.3 Cỏc cu trỳc mng nghiờn cu 32 127 2.2 Kho sỏt tớnh cht in t ca vt liu cm bin 34 2.2.1 o ng cong t tr bng h o t k mu rung 34 2.2.2 o hiu ng t-in tr 35 2.2.3.o hiu ng Hall phng 36 2.3 Phng phỏp thc nghim ch to linh kin .38 2.3.1 Thit b quang khc MJB4 .39 2.3.2 quy trỡnh quang khc ch to cm bin Hall phng 40 2.4 Kt lun 43 Chng NGHIấN CU TNH CHT VT Lí CA VT LIU CM BIN 44 3.1 Tớnh cht vt lý ca mng NiFe/Cu/NiFe .44 3.1.1 Quỏ trỡnh t húa ca mng NiFe/Cu/NiFe .45 3.1.2 Hiu ng t-in tr ca mng NiFe/Cu/NiFe .46 3.1.3 Hiu ng Hall phng ca mng NiFe/Cu/NiFe .48 3.2 Tớnh cht vt lý ca mng hai lp NiFe/IrMn 51 3.2.1 Cu trỳc tinh th ca mng hai lp NiFe/IrMn .51 3.2.2 Quỏ trỡnh t húa ca mng hai lp NiFe/IrMn 53 3.2.3 Hiu ng t in tr ca mng hai lp NiFe/IrMn .54 3.2.4 Hiu ng Hall phng ca mng cu trỳc hai lp NiFe/IrMn .56 3.3 Nghiờn cu vt liu cú cu trỳc van-spin .57 3.3.1 Nghiờn cu cu trỳc van-spin vi lp st t b ghim CoFe 58 3.3.2 Nghiờn cu cu trỳc van-spin vi lp ghim NiFe v CoFe 69 3.3.3 Nghiờn cu cu trỳc van-spin vi lp st t t NiFe cú chiu dy thay i (NiFe(t f)/Cu/NiFe/IrMn) 74 3.3.4 Nghiờn cu cu trỳc van-spin vi chiu dy lp Cu thay i 86 3.4 La chn cu trỳc van-spin ti u cho nhy ca cm bin PHE 89 3.5 Kt lun 91 128 Chng THIT K, CH TO CM B IN V TH NGHIM 92 PHT HIN HT T 92 4.1 Thit k cm bin .92 4.2 Phng phỏp thc nghim kho sỏt hot ng ca cm bin 96 4.3 Kho sỏt c trng ca cm bin Hall phng .97 4.3.1 Cm bin da trờn cu trỳc hai lp NiFe/IrMn .97 4.3.2 Cm bin cu trỳc ba lp NiFe(5)/Cu(1,2)/NiFe(2) n m 101 4.3.3 Cm bin cu trỳc van-spin NiFe(26)/Cu(1,2)/NiFe(1)/IrMn(15) nm 102 4.4 Th nghim phỏt hin ht t ca cm bin Hall phng 103 4.4.1 Phng phỏp thc nghim s dng cm bin phỏt hin ht t 103 4.4.2 Phỏt hin ht t ca cm bin cu trỳc hai lp NiFe(20)/IrMn(15) n m 105 4.4.3 Kho sỏt ht t vi cm bin van-spin 108 4.5 Kt Lun 110 KT LUN V KIN NGH .112 DANH MC CễNG TRèNH KHOA HC CA TC GI LIấN QUAN N LUN N 113 TI LIU THAM KHO 114 PH LC 129 DANH MC CC Kí HIU V CH VIT TT AMR T in tr d hng BARC Vi dóy m ht t cDNA Mt on mó di truyn ca gen E Cng in trng Ea Nng lng d hng EJ Nng lng tng tỏc Ep Th nng Eto t Nng lng tng cng FESEM Kớnh hin vi in t quột phỏt x trng FFM St t t FM St t GM R T in tr khng l H T trng ngoi HC Lc khỏng t HE Hiu ng Hall thng Hint , Hex Trng tng tỏc trao i gia hai lp t HK Trng d hng J Mt dũng in M T Ms T bóo hũa NM Lp khụng t PFM St t b ghim 130 PHE Hiu ng Hall mt phng PHR in tr Hall mt phng PL Lp ghim t S/N Mc tớn hiu/nhiu SEM Kớnh hin vi in t quột SP Phỳn x catt TMR T in tr xuyờn ngm tF Chiu dy lp st t t Chiu dy lp st t b ghim I Cng dũng mt chiu t vo cm bin V Hiu in th 131 DANH MC CC BNG Bng 1.1 Cỏc thụng s c trng ca cm bin t in tr [59] 25 Bng 1.2 Nhit Block ca mt s vt liu 27 Bng 2.1 Biu din tc lng ng trung bỡnh ca cỏc mng mng theo thi gian iu kin phỳn x: Cụng sut 30 W; chõn khụng lm vic 310-3 Torr 31 Bng 3.1 Cỏc thụng s nghiờn cu hiu ng Hall mt phng ca mng thu c t thc nghim v tớnh toỏn lý thuyt chiu dy lp Cu thay i .50 Bng 3.2: Giỏ tr nhy vi t trng o ca cỏc mng tớnh theo thc nghim 65 Bng 3.3 Cỏc thụng s thu c t tớnh toỏn lý thuyt trờn h mng cu trỳc van-spin vi lp ghim CoFe cú chiu dy khỏc 69 Bng 3.4 nhy ca hiu ng Hall phng i vi cỏc mng (S), Lc khỏng t (Hc), Trng d hng(HK), Trng tng tỏc trao i (HEX) h vi lp st t b ghim l NiFe v CoFe 73 Bng 3.5 Giỏ tr xỏc nh t thc nghim v lý thuyt .88 Bng 4.1 Tớnh cht vt lý ca Dynabeads đ M-280 Streptavidin 105 132 DANH MC CC HèNH V, TH Hỡnh 1.1 S mt biochip s dng cụng ngh spin in t [28, 59, 63] Hỡnh 1.2 Vũng cm bin AMR dũ ht t (a); trng thỏi in tr nh nht dũng in I song song vi t M ca vũng (b); trng thỏi in tr ln nht dũng in I vuụng gúc vi t M ca vũng (c) [53] .9 Hỡnh 1.3 Hỡnh minh quỏ trỡnh dn in mt mng a lp GMR S tỏn x khỏc to cỏc in tr khỏc cỏc lp phn song song (2a) v song song (2b)ca s sp xp t , õy th hin qua quóng ng t trung bỡnh ln hn lp song song [73] 11 Hỡnh 1.4 Cm bin GMR, a) trng thỏi in tr cao v b)trng thỏi in tr thp ca cm bin GMR .11 Hỡnh 1.5 Hiu ng t in tr khng l c biu din bng t s R/R(H=0) ca mng mng a lp (Fe/Cr) [73] 12 Hỡnh 1.6 Cm bin cu trỳc van-spinphỏt hin ht t [63] 13 Hỡnh 1.7 S ca cm bin TMR phỏt hin cỏc ht t .14 Hỡnh 1.9 ng c trng ca in ỏp Hall phng theo t trng c mụ phng theo mụ hỡnh Stonner Wohlfarth [40] 16 Hỡnh 1.11 (a) ng cong tớnh toỏn bng phng phỏp cc tiu húa nng lng v (b) ng mụ phng s thay i in tr Hall da trờn mụ hỡnh nng lng Stoner-Wohlfarth [63] 21 Hỡnh 1.12 Cm bin Hall phng phỏt hin ht t [63] 22 Hỡnh 1.13 Ht t (bead) vi mụ-men m, v trớ trờn b mt cm bin Ht t c t húa t trng H, v to mt t trng theo hng ngc li c m bin 23 Hỡnh 2.1 Thit b phỳn x catot ATC-2000FC 29 133 * Cm bin cu trỳc van-spin NiFe(26)/Cu(1,2)/NiFe(1)/IrMn(15) nm - nhy t trng ca cm bin l S = 15,6àV/Oe ti dũng cp mA tng ng vi nhy S = 15,6 m/Oe - Cm bin vi kớch thc ln 50ì50 m2 phỏt hin s cú mt ca t n ht ht t Dynabeads đ M-280 cho s thay i tớn hiu t giỏ tr V5 n 10,5 àV vi dũng cp mA 111 KT LUN Cỏc vt liu cho cm bin da trờn hiu ng Hall phng ó c nghiờn cu mt cỏch h thng da trờn cu trỳc ba lp FM/NM/FM; cu trỳc hai lp AFM/FM cú tng tỏc trao i v cu trỳc t hp ca c hai loi cu trỳc trờn - cu trỳc van spin AFM/FM/NM/FM Cỏc tớnh cht vt lý ca cỏc cu trỳc vt liu ny cng ó c nghiờn cu y , bao gm phõn tớch cu trỳc tinh th, t v quỏ trỡnh t húa, hiu ng t in tr v hiu ng Hall phng Cỏc kt qu nghiờn cu ny giỳp cho tỏc gi cú cỏch nhỡn tng th v cỏc c ch vt lý v nh hng ca cỏc cu trỳc lờn c trng ca vt liu Cỏc kt qu ny ó c khng nh thụng qua cỏc kt qu mụ phng lý thuyt da trờn mụ hỡnh Stoner-Wohlfarth Vi cu hỡnh ti u cho hiu ng Hall phng, nhy t trng ó t c 2,5 àV/Oe trờn cu trỳc hai lp AFM/FM; 8,1 àV/Oe trờn cu trỳc ba lp v t giỏ tr ln nht l 15,6 àV/Oe trờn cu trỳc van-spin S dng cỏc cu trỳc vt liu ti u, cỏc cm bin vi kớch thc vựng hot ng khỏc l 33 àm2 , 5050 àm2 ó c thit k v ch to Vi dũng in cp cho cm bin I = mA, cỏc cm bin ch to c cú th phỏt hin c cỏc n ht t DynabeadsM-280 cho tớn hiu 2,2 àV.Khi tng cng dũng in cp cho cm bin, tớn hiu li c tng t l thun vi cng dũng in, phm vi dũng nghiờn cu t 0,5 mA n 20 mA Kt qu nghiờn cu ca lun ỏn ang c tip tc nghiờn cu phỏt trin ng dng ti Bnh vin Bch Mai chng trỡnh nghiờn cu Ch to cm bin sinh hc da trờn cu trỳc t kớch thc micro -nano ng dng chn oỏn cn nguyờn Streptococcus suis gõy bnh viờm mng nóo Trong quỏ trỡnh thc hinlun ỏn, ó úng gúp vo lp t, hnh v chun húa cỏc quy trỡnh cụng ngh ch to v nghiờn cu ca mt s thit b ch yu liờn quan n lun ỏn nm D ỏn "Tng cng nng lc nghiờn cu trin khai vt liu v linh kin theo cụng ngh micro v nano" (2006 - 2009) ca i hc Quc gia H Ni 112 DANH MC CễNG TRèNH KHOA HC CA TC GI LIấN QUAN N LUN N [1] Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, CheolGi Kim (2008), Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers, Journal of Applied Physics104, pp 074701-074704 [2] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim (2009) Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips, IEEE Transactions on Magnetics 45, pp 2378 2382 [3] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc (2009), Optimization of planar hall effect sensor for magnetic bead detection using spin-valve NiFe/Cu/NiFe/IrMn structures, Journal of Physics: Conference Series 187, pp 012056 012062 [4] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Nguyen Ngoc Khoai, Do Thi Huong Giang, Pham Duc Thang, Tran Mau Danh and Nguyen Huu Duc (2009), Study of effect of layer Cu in spin-valve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn to sensitivity of planar hall sensor applicated in biochips, Proceeding of International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA) Vung Tau, Viet Nam, pp 483-486 [5] Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2012), Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall biosensors basedon spin-valve structures, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 3, pp 045019-045023 [6] Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2013), High-sensitivity planar Hall sensor based on simple giant magneto resistance NiFe/Cu/NiFe structure for biochip application, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 4, pp 015017-015021 113 TI LIU THAM KHO [1] A D Henriksen, B T Dalslet, D H Skieller, K H Lee, F Okkels, and M F Hansena (2012), Planar Hall effect bridge magnetic eld sensors, Journal of Applied Physics Letters 97, pp 013507-1 013507-3 [2] A P Malozemoff (1987), Random-field model of exchange anisotropy at rough ferromagnetic-antiferromagnetic interfaces, Physical Review B 35, pp 3679 3682 [3] A P Malozemoff(1988), Mechanisms of exchange anisotropy, Journal of Applied Physics63(8), pp 3874 3879 [4] A Persson, R.S Bejhed, F.W ỉsterberg, K Gunnarsson, H Nguyen, G Rizzi, M.F Hansen, P Svedlindh (2013), Modelling and design of planar Hall effect bridge sensors for low-frequency applications, Sensors and Actuators A: Physical 189 (15), pp 459 465 [5] B D Cullity (1972), Introduction to Magnetic Materials, University of Notre Dame, Addison-Wesley Publishing Company [6] B Dieny, V S Speriosu, S Metin, S S P Parkin, B A Gurney, P Baumgart, and D R Wilhoit (1991), Magnetotransport properties of magnetically soft spin-valve structures, Journal of Applied Physics69, pp 4774 4779 [7] B T Dalslet, C D Damsgaard, M Donolato, M Strứmme, M Strử mberg, P Svedlindh, M F Hansen (2011), Bead magnetorelaxo metry with an onchip magnetores istive sensor, Lab on a Chip11, pp 296 302 [8] Baker, Monya (2011), A living system on a chip,Nature 471(7340), pp 661 665 [9] Barrios , Carlos (2012), Integrated microring resonator sensor arrays for labson-chips, Analytical and Bioanalytical Chemistry 403(6), pp.1467 1475 [10] Bhatta D, Michel AA, Marti Villalba M (2011), Optical microchip array biosensor for multiplexed detection of bio-hazardous agents, Biosensor Bioelectron 30(1), pp 7886 114 [11] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc(2009), Optimization of planar hall effect sensor for magnetic bead detection using spin-valve NiFe/Cu/NiFe/IrMn structures, Journal of Physics: Conference Series 187, pp 012056012061 [12] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim (2009), Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips , IEEE Transactions on Magnetics 45, pp 2378 2382 [13] Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2012), Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall biosensors based on van-spinstructures,Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 3, pp 045019 045022 [14] Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2013), High-sensitivity planar Hall sensor based on simple GM RNiFe/Cu/NiFe structure for biochip application, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 4, pp 015017 015020 [15] Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc and CheolGi Kim (2008), Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers, Journal of Applied Physics104, pp 074701 074704 [16] C D Damsgaard, S C Freistas, P P Freistas, and M F Hansen(2008), Exchange-biased planar Hall effect sensor optimized for biosensor applications, Journal of Applied Physics103, pp 07A302 07A302-3 [17] C Tsang, N Heiman, K Lee (1981), Exchange induced unidirectional anisotropy at FeMn-Ni80 Fe20 interfaces , Journal of Applied Physics52, pp 2471 2473 [18] Cherif B, Villiers CL, Paranhos-Baccala G (2006), Design and application of a microarray for fluorescence and surface plasmon resonance imaging 115 analysis of peptide-antibody interactions, J Biomed Nanotech 2(1), pp 2935 [19] Chia-Hsien Yeh, Yu-Huai Chang, Hong-Ping Lin, Tsung-Chain Chang, YuCheng Lin (2012), A newly developed optical biochip for bacteria detection based on DNA hybridization, Sensors and Actuators B: Chemical 161(1), pp 1168 1175 [20] D J Monsma(1998), The spin valve transistor, PhD thesis, University of Twente [21] D K Wood, K K Ni, D R Schmidt, and A N Cleland (2005) Submicron giant magnetoresistive sensors for biological applications, Sensors and Actuators A120 (1),pp [22] D L Graham, H A Ferreira, N Feliciano, P P Freitas, L A Clarke, M D.Amaral(2005), Magnetic field-assisted DNA hybridisation and simultaneous detection using micron-sized spin-valve sensors and magnetic nanoparticles, Sensors and Actuators B 107(2), pp 936 944 [23] D L Graham, H A Ferreira, P P Freitas, J M S Cabra (2003), High sensitivity detection of molecular recognition using magnetically labelled biomolecules and magnetoresistive sensors, Biosensors and Bioelectronics 18(4), pp 483 488 [24] D L Graham, H Ferreira, J Bernardo, P P Freitas, J M S Cabral (2002), Single magnetic micros phere placement and detection on-chip using current line designs with integrated spin valve sensors: Biotechnological applications, Journal of Applied Physics91(10), pp 7786 7788 [25] D L.Graham, H A Ferreira, P P Freitas (2004), Magnetoresistive-based biosensors and biochips, Trends in Biotechnology 22(9), pp 455 462 [26] D Mauri, H C Sieg mann, P S Bagus, E Kay(1987), Simple model for thin ferromagnetic films exchange coupled to an antiferromagnetic substrate, Journal of Applied Physics62, pp 3047 3049 116 [27] D R Baselt, G U Lee, M Nates an, S W Metzger, P E Sheehan, R J Colton (1998), A bios ensor based on magnetoresistance technology, Biosensor and bioelectrics 13, pp 731 739 [28] David Sellmyer, Ralph Skomski(2006), Advanced Magnetic Nanostructures, Springer, pp 432 442 [29] E T Lacheisserie, D Gignoux, and M Schlenker (2002), Magnetism-II Fundamentals, Springer Science+Bus iness Media New York [30] Europhysics News (2003), The new era of s pintronics,European Physical Society34 (6), pp 227 229 [31] F W ỉsterberg, G Rizzi, T Zardỏn Gú mez de la Torre, M Strử mberg, M Strứmme, P Svedlindh, M F Hansen (2012), Meas urements of Brownian relaxation of magnetic nanobeads using planar Hall effect bridge sensors, Biosensors and Bioelectronics40, pp 147 152 [32] Figeys , D., Pinto, D (2000), Lab-on-a-chip: A revolution in biological and medical sciences, Analytical Chemistry72 (9), pp 330A 335A [33] Francois Montaigne, Alain Schuhl, Frộdộric Nguyen Van Dau, Armando Encinas (2000), Development of magnetoresistive sensors based on planar Hall effect for applications to microcompass, Sensors and Actuators A 81(1-3), pp 324 327 [34] G Mihajlovớc, P Xiong, S von Molnỏr, K Ohtani, H Ohno, M Field, and G J.Sullivan(2005), Detection of single magnetic bead for biological applications using an InAs quantum-well micro-Hall sensor, Applied Physics Letters87(11), 112502 112502-3 [35] Guan xiong Li, Vikram Jos hi, Robert L White, Shan X Wang, Jennifer T Kemp, Chris Webb, Ronald W Davis, Shoueng Sun (2003), Detection of single micron-sized magnetic bead and magnetic nanoparticles using spin valve sensors for biological applications, Journal of Applied Physics93(10), pp 7557 7559 117 [36] Gu iseppi-Elie, Anthony (2011), An implantable biochip to influence patient outcomes following trauma-induced hemorrhage,Analytical and Bioanalytical Chemistry399(1), pp 403 419 [37] H A Ferreira, D L Graham, P P Freitas,J M S Cabral (2003), Biodetection using magnetically labeled biomolecules and arrays of spin valve sensors, Journal of Applied Physics93(10), pp 7281 7286 [38] Ha Minh Hiep, Kagan Kerman, Tatsuro Endo, Masato Saito, Eiichi Tamiya (2010), Nanostructured biochip for label-free and real-time optical detection of polymerase chain reaction, Analytica Chimica Acta 661(1), pp 111 116 [39] Hadar Ben-Yoav, Peter H Dykstra, William E Bentley, Reza Ghodssi (2012), Amicroflu idic-based diffus ion-restricted DNA electrochemical biochip hybridization analysis, for label-free Biosensors and Bioelectronics 38(1), pp 114 120 [40] Hon-Wu Zhao, W N Wang, Y J Wang, W S Zhan (2002), Investigation of exchange bias in FeMnC/FeMn bilayers, Journal of Applied Physics 91(10), pp 6893 6895 [41] J L Leal, M H Kryder (1996), Oscillatory interlayer exchange coupling in Ni81 Fe19 /Cu/Ni81 Fe19/Fe50Mn50 spin valves, Journal of Applied Physics79(5), pp 2801-2805 [42] J Schotter (2004), Development of a magnetoresistive biosensor for the detection of biomolecules, Ph D.Thesis in Physics, Bielefeld University, Germany [43] J Theytaz, T Braschler, H van Lintel, P Renaud, E Diesel, D Merulla, J van der Meer (2009), Biochip with E coli bacteria for detection of arsenic in drinking water, Procedia Chemistry 1(1), pp 1003 1006 [44] K Ishii (1989), High-rate low kinetic energy gas-flow-sputtering system, Journal of Vacuum Science & Technology A 7(2), pp 256-258 118 [45] K.M Chui, A.O Adeyeye, Mo-Huang Li(2007), Detection of a single magnetic dot using a Planar Hall sensor, Journal of Magnetism and Magnetic Materials310, pp e992e993 [46] Kricka, L.J.(2001), Microchips, microarrays, biochips and nanochips: personal laboratories for the 21st century, Clinica Chimica Acta307, pp 219-223 [47] Krishnan, M., Namasivayam, V., Lin, R., Pal, R., Burns, M.A.(2001), Microfabricated reaction and separation systems, Current Opinion in Biotechnology 12, pp 9298 [48] L Ejsing, M F Hansen, A K Menon, H A Ferreira, D L Graham, P P Freitas (2004), Planar Hall effect sensor for magnetic micro- and nanobead detection, Applied Physics Letters84(23), pp 4729 - 4731 [49] Louise Ejsing, Mikkel F Hansen, Aric K Menon, Hugo A Ferreira, Daniel L Graha m, Paulo P Freitas(2005), Magnetic microbead detection using the planar Hall effect, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 293, pp.677684 [50] Louise Wellendorph Ejsing(2006), Planar Hall sensor for influenza immunoassay, Ph.D Thesis, Department of Micro and NanotechnologyTechnical University of Denmark, pp 21-30 [51] M A Parker, T L Hylton, K R Coffey, J K Howard (1994) Microstructural origin of giant magnetoresistance in a new sensor structure based on NiFe/Ag discontinuous multilayer thin films,Journal of Applied Physics75(10),pp.63826384 [52] M J Carey, A E Berkowit z (1992), Exchange anisotropy in coupled films of Ni81 Fe19 with NiO and Co xNi1xO, Applied Physics Letters 60(24), pp 3060 -3062 [53] M M Miller, G A Prinz, S F Cheng, S Bounnak (2002), Detection of a micron-sized magnetic sphere using a ring-shaped anisotropic magnetoresistance-based sensor: A model for a magnetoresistance-based biosensor,Applied Physics Letters81(12), pp 2211-2213 119 [54] M M Miller, P E Sheehan, R L Edelstein, C R Tamanaha, L Zhong, S Bounnak, L J Whitman, R J Colton (2001), A DNA array sensor utilizing magnetic microbeads and magnetoelectronic detection, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 225(1-2),pp 138144 [55] M N Baibich, J M Broto, A Fert, F Nguyen Van Dau, F Petroff, P Etienne, G Creuzet, A Friederich, J Chazelas (1988) Giant magnetoresistance of (001)Fe/Cr magnetic superlattices, Physical Review Letters 61(21), pp 24722475 [56] M Ohring(2002), Materials Science of Thin Films- Deposition and Structure:Second edition, Academic Press, San Diego [57] M Ziese, M J Thornson (2001), Spin Electronics, Springer, Germany [58] Marius Volmer, Jenica Neamtu(2007), Magnetic field sensors based on Permalloy multilayers and nanogranular films, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 316, pp e265e268 [59] Mark Johnson (2004), Magnetoelectronics, Elsevier [60] Moo-Kyung Park, Kyung-Woo Kim, Dong June Ahn, Min-Kyu Oh (2012), Label-free detection of bacterial RNA using polydiacetylene-based biochip, Biosensors and Bioelectronics 35(1), pp 44-49 [61] Mouhssine Benlarbi, Loùc J Blu m, Christophe A Marquette (2012), SU-8carbon composite as conductive photoresist for biochip applications, Biosensors and Bioelectronics 38(1),pp 220 225 [62] N Koon (1997), Calculations of Exchange Bias in Thin Films with Ferromagnetic/Antiferromagnetic Interfaces, Physical Review Letters 78(25), pp 4865-4868 [63] N T Thanh (2007), Planar hall resistance sensor for biochip application, Ph.D Thesis, Chungnam National University, Korea [64] N T Thanh, B Parvatheeswara Rao, N H Duc,CheolGi Kim (2007), Planar Hall resistance sensor for biochip application, Phys Stat Sol A204(12), pp 4053-4057 120 [65] N T Thanh, K W Kim, C O Kim, K H Shin, C G Kim (2007), Microbeads detection using Planar Hall effect in spin-valve structure, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 316(2), pp e238-e241 [66] N T Thanh, L T Tu, N D Ha, C O Kim, C G Kim, K H Shin, B P Rao (2007), Thickness dependence of parallel and perpendicular anisotropic resistivity in Ta/NiFe/IrMn/Ta multilayer studied by anisotropic magnetoresistance and planar Hall effect, Journal of Applied Physics 101, pp 053702.1-053702.5 [67] Nguyen Van Dau, A Schuhl, J R Childress, M Sussiau (1996), Magnetic Sensors and sensors for nanotesla detection using planar Hall effect, Actuators A: Physical 53(1), pp 256-260 [68] P Lunca Popa, G Dalmas, V Faramarzi, J F Dayen, H Majjad, N T Kemp, B Doudin (2011), Heteronanojunctions with atomic size control using a labon-chip electrochemical approach with integrated microfluidics, Nanotechnology22(21), pp.215302-215308 [69] Pierre-A Besse, Giovanni Boero, Michel Demierre, Vincent Pott, Radivoje Popovic(2002), Detection of a single magnetic microbead using a miniaturized silicon Hall Sensor,Applied Physics Letters80(22), pp 41994201 [70] Porter, J., OLoan, N., Bell, B., Mahoney, J., McGarrity, M., McConnell, R , Fitzgerald, S (2012), Development of an Evidence biochip array kit for the multiplex screening of more than 20 anthelmintic drugs, Analytical and Bioanalytical Chemistry403(10), pp 30513056 [71] R Jungblut, R Coehoorn, M T Johnson, J Stegge, and A Reinders (1994), Orientational dependence of the exchange biasing in molecular-beamepitaxy-grown Ni80 Fe20/Fe50 Mn 50 bilayers, Journal of Applied Physics 75(10), pp 6659-6664 [72] R L Edelstein, C R Tamanaha, P E Sheehan, M M Miller, D R Baselt, L J Whitman, R J Colton (2000), The BARC bios ensor applied to the 121 detection of biological warfare agents, Biosensors and Bioelectronics14(1011), pp 805813 [73] Robert C OHandley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons [74] Robert L White (1994), Giant magnetoresistance materials and their potential as read head sensors IEEE Transactions on Magnetics30(2), pp 346352 [75] Rodolphe Marie, Silvan Schmid, Alicia Johansson, Louise Ejsing, Maria Nordstrom, Daniel Hafliger, Claus BV Christensen, Anja Boisen, Martin Dufva (2006), Immobilisation of DNA to polymerised SU-8 photoresist, Biosensors and Bioelectronics21(7), pp 13271332 [76] S Maekawa (2006), Concepts in Spin Electronics, Oxford University Press [77] S Tumanski (2001), Thin Film Magnetoresistive Sensors, London, U.K IOP [78] Schuhl, F Nguyen Van Dau, and J R Childress (1995), Low-field magnetic sensors based on the planar Hall effect, Applied Physics Letters66(20), pp 2751-2763 [79] Sungkyu Seo, Maria Dobozi-King, Ryland F Young, Laszlo B Kish, Mosong Cheng (2008), Patterning a nanowell sensor biochip for specific and rapid detection of bacteria, Microelectronic Engineering 85(7), pp 1484 1489 [80] T Ambrose and C L Chien (1994), Magnetic properties of exchange coupled NiFe/CoO/NiFe trilayers, Journal of Applied Physics Lett 65(15), pp 1967-1969 [81] T Q Hung, S J Oh, B D Tu, N H Duc, L V Phong, S A Kumar, J-R Jeong, C G Kim (2009), Sensitivity dependence of the planar Hall effect sensor on the free layer of the spin-valve structure, IEEE Transactions on Magnetics 45(6), pp 2374-2377 [82] Tobias Hempel(2005), GMR Limits for Interlayer Coupled and Pinned Trilayers and New Concepts for GMR-Sensors, Dissertation, pp 127140 122 [83] Tran Quang Hung (2010), High sensitivity magnetoresistive sensor for installing bioassay platform, Dissertation, Chungnam National University, Korea [84] V Mor, M Schultz, O Sinwani, A Grosz, E Paperno, L Klein (2012), Planar Hall effect sensors with shape-induced effective single domain behavior, Journal of Applied Physics111, pp 07E519 07E519-3 [85] Vộronique Gehanno, Paulo P Freitas, Anabela Veloso, Joóo Ferreira, Bernado Almeida, J B Sous, A Kling, J C Soares, M F da Silva (1999), Ion beam deposition of Mn-Ir spin valves, IEEE Transactions on Magnetics 35(5), pp 43614367 [86] W Meiklejohn, C P Bean (1956), New Magnetic Anisotropy, Physical Review Letters102, pp 1413 1414 [87] W O Henry (1998), Noise reduction techniques in electronic systems, Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc [88] Wang, J.(2000), From DNA bios ensors to gene chips, Nucleic Acid Research28 (16), pp 30113016 [89] William C Cain, Mark H Kryder (1989), Dual exchange biased NiFeTbCo unshielded MR heads for high density recording, IEEE Transactions on Magnetics 25(5), pp 3695-3697 [90] Z Q Lu, G Pan, and W Y Lai (2001), Planar Hall effect in NiFe/NiMn bilayers, Journal of Applied Physics 90, pp 1414 1418 [91] Z Q Lu, G Pan, and Y K Zheng (2002), Spin valves with canted pinning field, Journal of Applied Physics91, pp 2161 2164 [92] Z Q Lu, G Pan, J Li and W Y Lai (2001), Planar Hall effect and magnetoresistance in spin valve multilayers,Journal of Applied Physics 89, pp 7215 7217 123 PH LC Mó chng trỡnh Mụ phng tớnh toỏn lý thuyt da theo nh lut ễm v mụ hỡnh Stoner-Wohlfrath (s dng ngụn ng lp trỡnh Mathlab) clear all; c los e all; clc; x0=.1; %Planar Hall Effect Calculation for angle of junction = 90 x=x0*pi/180; alpha=[-pi/2:.01:pi/2]; phi=0; Hex=5; R0=0.0000620; Ms =12; t=1; Hk=5; Ku=Hk*Ms /2; x1=90; a=[];% Nhp cỏc giỏ tr thc nghim- Th ca cm bin b=[];% Nhp cỏc giỏ tr thc nghim-t trng %x1 is the angle between H and easy axis => x1 can varies from up to 90 %Eex=Ku*t*sin^2(anpha-phi)-Ms *t*H*cos(pi/2-anpha)-Ms*t*Hex*cos(anpha); H=(Ms*t*Hk*sin(alpha).*cos(alpha)+Hex*s in(alpha))./(Ms*t*sin(x1*pi/180alpha)); %H=(Hk*sin(alpha).*cos(alpha)+Hex*s in(alpha))./(cos(alpha+x)); %H=(Hk.*sin(alpha-x)); R=R0*sin(alpha).*cos(alpha); n=0; 124 for i=1:length(alpha) if (H(i)>=-100)&(H(i)[...]... * Nghiên cứu tính chất từ, cấu trúc, vi cấu trúc và điện từ của vật liệu Nghiên cứu và đo đạc thực nghiệm các tính chất liên quan đến cấu trúc/ vi cấu trúc, tính chất từ, từ -điện trở và hiệu ứng Hall trên các cấu trúc khác nhau Áp dụng mô hình lý thuyết để tính toán và mô phỏng các kết quả thu được, qua đó giải thích được các tích chất và mối liên hệ với cấu trúc của vật liệu và xây dựng, thiết kế cấu. .. quả nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong luận án này, chúng tôi cũng đã cải thiện đáng kể độ nhạy của các cảm biến và một số loại cảm biến có thể phát hiện được từng hạt từ, chế tạo được các vi dãy phát hiện hạt từ mà các nghiên cứu của Ejsing chưa làm được 1.3.6.1 Hiệu ứng Hall phẳng Trong nghiên cứu chúng tôi sử dụng ba cấu trúc chính: cấu trúc hai lớp (bilayer), cấu trúc ba lớp và cấu trúc van -spin. .. lĩnh vực y sinh học và môi trường Nội dung nghiên cứu và phương pháp khoa học sử dụng trong luận án * Lựa chọn vật liệu có hiệu ứng Hall phẳng Chế tạo và nghiên cứu vật liệu có cấu trúc kiểu 2 lớp NiFe/IrMn, ba lớp NiFe/Cu/NiFe và cấu trúc kiểu van -spin 4 lớp Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta hoặc thay 2 lớp NiFe bị ghim bằng lớp CoFe với độ dày của các lớp khác nhaucó hiệu ứng t điện trở, hiệu ứng Hall phẳng... chế tạo linh kiện là cần thiết Mục tiêu của luận án - Chế tạo, nghiên cứu vật liệu spintronics và cấu trúc vật liệu tối ưu có hiệu ứng Hall phẳng và các tính chất điện từ tốt - Thiết kế chế tạo các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng kích thước micrô- nanô với cấu hình tối ưu độ nhạy cao - Bước đầu thử nghiệm cảm biến để phát hiện các hạt từ, làm cơ sở phát triển một số ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. .. các hệ vi điện tử của những năm 1980 [47] Sự kết hợp giữa lĩnh vực vi điện tử và chíp sinh học (Biochip) đang tạo ra các linh kiện và công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi và có sự ảnh hưởng lớn trong xã hội hiện đại Linh kiện có kích thước, cấu trúc micrô và nanô có nhiều ưu điểm Ví dụ điển hình là một “lab-on-a-chip”, trong đó tất cả các quá trình trong việc phân tích một mẫu lý, hóa, sinh học đều được... cần và đang có khả năng nghiên cứu áp dụng công nghệ micrô và nanô để chế tạo các cảm biến, phát triển các loại linh kiện tổ hợp sinh học (biochips) ứng dụng trong y -sinh và môi trường như phát hiện vi khuẩn, vi rút hoặc thực phẩm biến đổi gen, Chính vì vậy, việc xây dựng cơ sở để phát triển các vấn đề khoa học liên ngành giữa khoa học vật liệu, khoa học và công nghệ nanô, công nghệ sinh học và công... rằng các cảm biến có cấu trúc dạng elíp có trường dị hướng với một dải giá trị khá rộng từ 10-100 Oe Đây là điều thuận lợi khi nghiên cứu để tăng độ phân giải tín hiệu thế Hall phẳng Các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng cầu đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trong việc phát hiện các hạt từ kích thước micrô và nanô ứng được chức năng hóa ứng dụng trong sinh học trong vài năm gần đây [1, 4,... hiệu ứng Hall phụ thuộc thời gian và sự có mặt của các hạt từ tính thương mại Đánh giá độ nhạy và độ lặp lại của sensor 3 Chương 1 TỔNG QUAN CHÍP SINH HỌC DỰA TRÊN CÁC HIỆU ỨNG ĐIỆN TỪ 1.1 Mở đầu Sự nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng các loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sự sống, trong chuẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu y tế và cả trong việc kiểm soát ô nhiễm môi... tử sinh học trong các mạch tích hợp Ngh iên cứu các cảm biến sinh học hướng đến sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh cụ thể, bao gồm một quy trình khép kín từ công nghệ chế tạo vật liệu nanô từ tính đến chế tạo linh kiện; từ v iệc nghiên cứu các thông số cơ bản của vật liệu , thông số của linh kiện đến các thử nghiệm ứng dụng có tính liên ngành cao; là một xu hướng ưu tiên của khoa học và công nghệ nanô trong. .. hướng Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance - MR) thường xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường [73] Nguồn gốc của MR từ sự kết cặp spin- quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử mạng Hiệu ứng từ điện t rở dị hướng (AM R) 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 ...ĐạI HọC QUốC GIA Hà NộI TRƯờNG ĐạI HọC CÔNG NGHệ _ BùI ĐìNH Tú CHế TạO Và NGHIÊN CứU MộT Số CấU TRúC SPIN - ĐIệN Tử MICRÔ-NANÔ ứNG DụNG TRONG CHíP SINH HọC Chuyên ngành:... tớch sinh hc 1.2 Nguyờn lý chung ca chớp sinh hc Cỏc cỏc chớp sinh hc hot ng da trờn vic phỏt hin tng tỏc c hu gia cỏc phõn t sinh hc Vớ d nh nhn dng lai húa gia cỏc si n DNADNA, cỏc phõn t sinh. .. bnh hoc cỏc nghiờn cu húa -sinh, y -sinh [8,9,10,68] Tt c cỏc phng phỏp nờu trờn u thớch hp vi mc ớch dũ t ỡm cỏc phõn t sinh hc cỏc mch tớch hp Ngh iờn cu cỏc cm bin sinh hc hng n sn phm cụng