SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY

Transkripsi

1 SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY Disusun Oleh : SHIBGHATULLAH MUHAMMADY M SKRIPSI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Januari, 2013

2 SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY Disusun Oleh : SHIBGHATULLAH MUHAMMADY M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Januari, 2013

3

4 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO- PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelas kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, Januari 2013 SHIBGHATULLAH MUHAMMADY iii

5 MOTTO Tidaklah Allaah Azza wa Jalla- Ciptakan jin dan manusia melainkan untuk beribadah kepadanya dengan mentauhidkannya Tidaklah Allaah Azza wa Jalla- Ciptakan langit dan bumi, serta seisinya dengan sia-sia. Semua itu tanda-tanda kekuasaannya bagi orang yang berfikir. Tidaklah seseorang dianggap bersyukur hingga dia bersyukur atau berterima kasih kepada orang lain yang melaluinya Allaah curahkan suatu kebaikan iv

6 PERSEMBAHAN Karya ini saya persembahkan untuk : 1. Ayah dan Ibu, terima kasih atas doa dan dukungannya 2. Kakak dan adikku tercinta 3. Pembimbing tugas akhir ini, Pak Budi dan Pak Suharyana, yang telah membimbing dan memberi arahan 4. Kakak tingkat, adik tingkat dan angkatan 2009, semoga karya ini bermanfaat dan berguna sebagai inspirasi bagi kita semua. 5. Almamater saya, terkhusus Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret, semoga ini menjadi karya yang bermanfaat dan menjadi inspirasi bagi langkah selanjutnya di bidang keilmuan Fisika di masa mendatang v

7 SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO- PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY SHIBGHATULLAH MUHAMMADY Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Simulasi mikromagnetik digunakan untuk mengamati tipe nukleasi pada proses magnetisasi reversal nano-partikel permalloy dengan polarisasi magnetik seragam. Sebuah medan eksternal diterapkan pada nanopertikel dengan arah berlawanan dengan orientasi magnetisasi. Kemudian, medan eksternal tersebut ditingkatkan secara linier terhadap lama waktu sapuan medan eksternal tersebut. Evaluasi mekanisme reversal dilakukan untuk variasi waktu sapuan, variasi redaman Gilbert (α), variasi konstanta tukar (A), variasi ukuran nano-partikel, variasi ketebalan nanopartikel, dan variasi sudut antara orientasi medan eksternal dengan orientasi magnetisasi awal. Hasil simulasi menunjukkan bahwa energi aktivasi (Ea) dan medan reversal (Hsw) menurun secara eksponensial terhadap waktu dengan dominasi Neel wall pada tipe nukleasinya. Hasil variasi α menunjukkan ketergantungan Hsw yang linier terhadap α, berbeda dengan Ea yang cenderung turun. Pasangan vorteks muncul dengan waktu nukleasi yang berbeda. Variasi konstanta tukar menghasilkan kecenderungan Ea dan Hsw yang linier terhadap A. Tipe nukleasinya didominasi dengan konfigurasi pasangan vorteks dengan waktu kemunculan yang berbeda. Variasi sudut memberikan nilai minimum Ea dan Hsw pada sudut Konfigurasi vorteks muncul sebelum sudut Berkaitan dimensi, variasi ukuran memberikan suatu kondisi maksimum, baik Ea maupun Hsw pada ukuran nano partikel 40 nm saat konfigurasi vorteks mulai muncul. Untuk variasi ketebalan, Ea mempunyai nilai maksimum ~2, erg berbeda dengan Hsw yang turun setelah melewati nilai puncak ~4 koe. Konfigurasi vorteks dan antivorteks muncul pada ketebalan 30 nm dan 60 nm dengan kondisi yang berbeda baik waktu nukleasi keduanya maupun formasi keduanya.pada ketebalan 30 nm, vorteks dan antivorteks muncul secara berurutan. Akan tetapi, pada ketebalan 60 nm, vorteks dan antivorteks muncul bersamaan membentuk pasangan vorteks-antivorteks pada rentang waktu tertentu. Kata Kunci : mikromagnetik, reversal, energi aktivasi, medan reversal, vorteks, antivorteks, permalloy vi

8 MICROMAGNETIC SIMULATION OF REVERSAL MAGNETIZATION ON PERMALLOY MAGNETIC NANO-PARTICLE SHIBGHATULLAH MUHAMMADY Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret Physics Department, Faculty of Mathematics and Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT Micromagnetic simulation was used to investigate nucleation types in reversal magnetization process on Permalloy nano-particle with uniform magnetic polarization. An external field was applied on nano-particle opposite directed to magnetization orientation. After that, the external field was increased linerly to sweeping time of the external field. Evaluation of reversal mechanism was performed for sweeping time variation, Gilbert atenuation (α) variation, exchange constant (A) variation, nano-particle size variation, nano-particle thickness variation, and degree variation expressing between external field and initial magnetization orientation. Result of micromagnetic simulation shown that activation energy (Ea) and reversal field (Hsw) decreased exponentially to time with Neel wall domination on its nucleation type. Result of α variation shown that Hsw dependence to α, different with Ea that tended to decrease. Vortex pair appeared with different nucleation times. For variated exchange constants, tendency of both Ea and Hsw is linierly to A. Its nucleation type is dominated by vortex pair configuration appeared in different nucleation times. Degree variation gave minimum value of both Ea and Hsw at degree of Vortex configuration appeared before degree of Dimensionally, size variation gave a maximum condition, either Ea or Hsw at nano particle size of 40 nm while vortex configuration begun to appeare. For thickness variation, Ea had a maximum value of ~ erg, different with Hsw that decreased after surpassed peak value of ~4 koe. Vortex and antivortex appeared at thickness of 30 nm and 60 nm with different condition, either their nucleation times or their formation. At thickness of 30 nm, vortex and antivortex appeared in sequence. But at thickness of 60 nm, vortex and antivortex appeared together formed vortex-antivortex pair in specific time interval. Keywords: micromagnetic, reversal, activation energy, reversal field, vortex, antivortex, permalloy. vii

9 KATA PENGANTAR Pujian dan rasa syukur dipanjatkan kepada Allaah -Subhaanahu wa Ta alaa- Yang telah mengaruniakan nikmat yang tidak dapat terhitung. Dengan nikmatnya pula, penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi. Semoga shalawat dan salam senantiasa tercurah atas Rasulullah -shallallaahu alayhi wa sallam-. Skripsi ini disusun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana sains yang penulis beri judul Simulasi Mikromagnetik Magnetisasi Reversal pada Nano-Partikel Magnetik Permalloy. Kepada semua pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih. Atas bantuannya selama proses pengerjaan skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan kepada: 1. Dr. Eng. Budi Purnama, S. Si, M. Si selaku Pembimbing I yang telah mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan arahan dalam penyusunan skripsi. 2. Drs. Suharyana, M. Sc. selaku Pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan saran dalam penyelesaian skripsi. 3. Keluargaku tercinta yang senantiasa mendukungku dan memberi semangat. 4. Mahasiswa Fisika, terkhusus angkatan 2009 atas dukungan dan bantuannya. 5. Semua pihak yang telah membantu penulis sehingga laporan penelitian ini dapat diselesaikan dengan baik. Semoga Allah Azza wa Jalla- memberikan balasan yang lebih baik atas kebaikannya. Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik membangun guna perbaikan di masa mendatang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi penulis dan pembaca. viii

10 PUBLIKASI Sebagian skripsi saya yang berjudul Simulasi Mikromagnetik Magnetisasi Reversal pada Nano-Partikel Magnetik Permalloy telah : 1. Dipublikasikan pada Indonesian Journal of Applied Physics (IJAP) volume 2 No. 2 halaman 164 tahun 2012 dengan judul Kajian Simulasi Mikromagnetik Ketergantungan Tipe-nukleasi Magnetisasi Reversal terhadap Waktu pada Nano Dot Permalloy 2. Dipresentasikan dalam 3 rd Jogja International Conference on Physics 2012 pada tanggal 19 September 2012 di Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada dengan judul Vortex-Antivortex Assisted Magnetization Dynamics in Permalloy Nano Particle Studied by Micromagnetic Simulation ix

11 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN... iii HALAMAN MOTTO... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v HALAMAN ABSTRAK... vi HALAMAN ABSTRACT... vii KATA PENGANTAR... viii HALAMAN PUBLIKASI... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR SIMBOL... xv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Momen Magnetik dan Magnetisasi Bahan Magnetik Ragam Bahan Magnetik Karakteristik Bahan Feromagnetik Permalloy Permeabilitas Kurva Histerisis, Koersivitas, dan Magnetisasi Saturasi Pengaruh Suhu terhadap Bahan Feromagnetik Mikromagnetik Exchange Interaction Anisotropi Magnetokristalin Material Medan Demagnetisasi Energi Total Sistem Mikromagnetik Domain Magnetik dalam Sistem Feromagnetik Asal-Usual Domain Magnetik Domain Wall Magnetisasi Reversal dengan Tinjuan Mikromagnetisme Software Simulasi Mikromagnetik BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian x

12 3.2. Peralatan Piranti Keras Piranti Lunak Utama Metode Simulasi Mikromagnetik Analisa Data BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Definisi Magnetisasi Reversal Variasi Waktu Variasi Redaman Gilbert Variasi Konstanta Tukar Variasi Ukuran Variasi Ketebalan Variasi Sudut H-Ms (θ) BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

13 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Detail Komponen Energi Aktivasi xii

14 DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 2.1. Model Klasik Orbital Elektron yang Mengelilingi Inti... 5 Gambar 2.2. Skema arah Momen-Momen Magnetik Atom dan Relasi M-H dari Bahan... 9 Gambar 2.3. Loop Histerisis Tipikal Bahan Magnetik Gambar 2.4. Kurva Hukum Curie Bahan Paramagnetik dan Diamagnetik Gambar 2.5. Kurva Hukum Curie Bahan Feromagnetik Gambar 2.6. Hubungan Magnetisasi Saturasi pada Feromagnetik dengan Suhu Curie Gambar 2.7. Skema Struktur Domain Magnetik dengan Resultan Momen Magnetik Nol di dalam (a) Kristal Tunggal (b) Polikristal Gambar 2.8. Struktur Dasar Domain Magnetik Permalloy Gambar 2.9. Skema Bloch Wall Gambar Skema Monoatomic Domain Wall dan Bloch wall Gambar Skema Domain Closure Gambar Grafik fungsi densitas energi sebagai fungsi ketebalan material magnetik di dalam Bloch wall dan Néel wall Gambar Skema Domain Wall Gambar Skema Néel wall (atas) dan Cross-tie wall (Bawah) Gambar Skema Reversal Berupa Gerakan Vektor Magnetisasi M di Bawah Pengaruh Medan Statik H untuk (A) = 0 dan (B) << Gambar 3.1. Skema Finite Element Micromagnetic Modeling dengan Ukuran nm Gambar 4.1. Ilustrasi Kurva a) Energi Aktivasi (Ea) Sebagai Fungsi Waktu (T) dan b) Medan Reversal sebagai Fungsi Waktu Disertai Mikrograf pada Kondisi Minimum sebelum Reversal dan pada Kondisi Minimum setelah Reversal Gambar 4.2. Kurva Energi Aktivasi Ea dan Switching Field Hsw sebagai Fungsi Waktu (t) Gambar 4.3. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Waktu Reversal. Garis Tersambung Menandakan Nèel Wall dan Garis Terputus Menandakan Bloch Wall Gambar 4.4. Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi Redaman Gilbert (α) Gambar 4.5. Kurva Komponen Energi terhadap α saat Ea Diperoleh Gambar 4.6. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Redaman Gilbert. Garis Merah Menandakan Vorteks xiii

15 Gambar 4.7. Kurva Tipikal Berkaitan Konstanta Tukar (a) Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi A (b) Kurva Hsw sebagai Fungsi Exchange Length lex Gambar 4.8. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Konstanta Tukar dengan Garis Merah Menandakan Vorteks Gambar 4.9. Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi Ukuran Nanopartikel Gambar Tahapan magnetisasi reversal teramati dalam coherent rotation untuk ukuran 30 nm dan nukleasi-annihilasi pasangan vorteks (garis merah) untuk ukuran 40 nm dan 70 nm Gambar Kurva Fungsi Ea dan Hsw sebagai Fungsi Ketebalan Gambar Mode Reversal untuk Ketebalan 20 nm, 30 nm, dan 50 nm dengan Néel walls Ditandai dengan Garis Hitam Tegas, Bloch wall Ditandai dengan Garis Putus-Putus, Vorteks Ditandai dengan Garis Merah, dan Antivorteks Ditandai dengan Garis Kuning Gambar Kurva Ea Sebagai Fungsi Sudut H-Ms Gambar Mode Reversal untuk Sudut H-M untuk sudut 20 0, 30 0, dan 60 0 dengan Vorteks Ditandai dengan Garis Merah xiv

16 DAFTAR SIMBOL α : Konstanta redaman Gilbert γ : Rasio giromagnetik μb : Magneton Bohr A : Konstanta tukar (exchenge stiffness) B : Vektor induksi magnetik M : Vektor magnetisasi Heff : Vektor medan efektif Hd : Vektor medan demagnetisasi Nd : faktor demagnetisasi Hex : Vektor medan interaksi tukar Hk : Vektor medan anisotropi Ms : Magnetisasi jenuh / saturasi m0 : Momen magnetik orbital p0 : Momen magnetik orbital ms : Momen magnetik spin ps : Momen magnetik spin me : massa elektron χ : Suseptibilitas J : Vektor momentum angular orbital atom L : Vektor momentum angular spin atom S : Vektor momentum total atom L : Momentum angular orbital atom S : Momentum angular spin atom J : Momentum total atom Edemag : energi demagnetisasi Etot : energi total magnetik μ0 : permeabilitas ruang vakum μ : permeabilitas magnetik T : suhu TC : suhu Curie C : konstanta Curie Vij : energi potensial interaksi Heisenberg Jij : exchange integral Si : momentum angular spin atom i Sj : momentum angular spin atom j εexch : densitas energi interaksi tukar lexch : exchange length K : konstanta anisotropi xv

17 εuni εcub : densitas energi anisotropi uniaksial : densitas energi anisotropi kubik xvi

18 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran : Makalah dan Sertifikat Publikasi xvii