BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Transkripsi

1 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kemajuan dunia industri saat ini dan masa yang akan datang menekankan pada peningkatan sistem otomatisasi, keamanan, kenyamanan akan sangat bergantung pada suatu peranti yang dikenal sebagai sensor. Kebutuhan akan sensor tidak hanya pada bidang industri, namun juga merambah pada aplikasi bidang otomotif, kesehatan, pertambangan, transportasi, dan kebutuhan untuk menghadapi berbagai permasalahan seperti bencana alam gempa bumi, tsunami, gunung meletus serta polusi lingkungan. Penelitian dan pengembangan sensor serta sistem sensor di semua bidang menempati posisi yang sangat penting. Para peneliti di lembaga riset maupun perguruan tinggi terus-menerus berusaha membuat dan mengembangkan sensor-sensor baru dan sistem sensor dengan teknologi dan metode yang berbeda-beda serta mengembangkan berbagai aplikasi sensor tersebut (Djamal dan Ramli, 2012). Salah satu sensor yang cukup banyak dikembangkan saat ini adalah sensor magnetik, yakni sensor yang mengukur besaran-besaran fisika berdasarkan perubahan medan magnet. Berbeda dari sensor lainnya, sensor magnetik tidak melakukan pengukuran secara langsung sifat fisik besaran yang diukur namun melalui pendeteksian perubahan medan magnet yang diakibatkan karena keberadaan atau pergerakan suatu benda yang menjadi objek pengukuran. Beberapa metode pembuatan sensor magnetik antara lain, menggunakan efek Hall (Besse dkk, 2000), flux-gate magnetometer (Ripka, 2003), superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer (Lee dkk, 2002), Anisotropic Magnetoresistive (AMR) (Miller dkk, 2000) dan Giant Magnetoresistive (GMR) (Rife dkk, 2003). Giant magnetoresistance (GMR) merupakan suatu material yang memiliki karakteristik magnetoresistansi yang tinggi, sifat-sifat magnetik dan elektrik yang baik. Berdasarkan karakteristik yang dimiliki tersebut, GMR sangat berpotensi untuk 1

2 2 dikembangkan menjadi berbagai piranti pengindra medan magnet generasi mendatang. Sensor magnetik berbasis GMR merupakan sensor yang bekerja berdasarkan efek perubahan resistansi yang sangat besar pada bahan logam bila berada dalam medan magnet luar. Material GMR memiliki magnetoresitance (MR) yang sangat besar sehingga memiliki potensi untuk dikembangkan menjadi devais pendeteksi medan magnet. Penggunaan material GMR sebagai sensor magnet, memiliki beberapa kelebihan dibandingkan sensor lainnya yakni, sensivitas yang tinggi, kestabilan temperatur yang tinggi, komsumsi daya rendah, ukuran kecil dan harga murah, serta sifat magnetik dapat bervariasi dalam rentang yang sangat luas (Li dkk, 2006). Pada Tabel 1 ditunjukkan perbedaan sensor GMR dengan beberapa sensor magnetik lainnya. Tabel 1.1 Perbandingan karakteristik beberapa sensor medan (Han dkk, 2005) Sensor Range H Sensivitas Waktu Komsumsi Ukuran (T) (V/T) Respon Daya Sensor GMR MHZ 10 mw μm Hall ,65 1 MHZ 10 mw μm SQUID MHZ 10 mw μm Fluxgate ,2 5 KHZ 1 W 10-20mm Biosensor magnetik GMR dengan menggunakan partikel magnetik telah menarik perhatian para peneliti beberapa dekade belakangan ini. Prinsip utama yang digunakan adalah pelabelan biomolekul target dengan partikel magnetik, dan selanjutnya pengikatan partikel-partikel magnetik biomolekul target dengan menggunakan probe sehingga dapat dideteksi oleh sensor magnetik. Ada beberapa kelebihan yang cukup luar biasa diperoleh dengan menggunakan partikel magnetik dalam mendeteksi biomolekul diantaranya sifat magnetik yang stabil, tidak terpengaruh oleh reaksi kimia dan proses reaksi kimia dengan adanya cahaya (photobleaching) (Rife dkk, 2003). Selain itu, partikel magnetik dapat dipengaruhi dengan pemberian medan magnet luar tanpa adanya interferensi dan gangguan dari biomaterial yang akan dideteksi.

3 3 Dalam upaya pencapaian sensitivitas deteksi dan kuantisasi yang diinginkan, maka dibutuhkan partikel magnetik berukuran skala nano karena ukurannya yang sebanding dengan biomolekul, dimensi yang seragam (monodisperse) dan keunggulan sifat magnetiknya. Lebih jauh lagi, nanopartikel magnetik tidak mengalami penggumpalan (aglomerasi) selama preparasi sampel dan pada saat pengaplikasian. Nanopartikel magnetik yang akan digunakan sebagai material dalam pelabelan biomolekul yang akan dideteksi harus memiliki sifat superparamagnetik. Sifat superparamagnetik merupakan material ferromagnetik yang berukuran skala nano yang memiliki nilai magnetisasi yang besar ketika diberi medan magnet luar yang kecil dan tanpa adanya medan magnet luar maka magnetisasi remanennya sama dengan nol. Beberapa nanopartikel magnetik yang memiliki sifat superparamagnetik diantaranya CoFe 2 O 4, Fe 3 O 4 dan MnFe 2 O 4. Salah satu nanopartikel magnetik yang sering digunakan dalam aplikasi biosensor adalah Fe 3 O 4. Karakteristik nanopartikel Fe 3 O 4 yang memiliki nilai magnetisasi saturasi (M s ) yang tinggi, soft magnetik, dan nilai anisotropi yang rendah menjadikannya menjadi material yang cukup potensial dalam aplikasi sensor magnetik berbasis GMR (Wang dan Li, 2008). Pengembangan sensor GMR dalam aplikasi sensor pendeteksi medan magnetik didasarkan pada nilai MR yang dihasilkan. Nilai MR sangat ditentukan oleh sifat magnetik dan sifat listrik yang dihasilkannya. Sifat itu ditentukan oleh beberapa faktor antara lain jenis material yang digunakan sebagai penyusunnya, struktur susunannya (sandwich, spin valve dan multilayer) dan ketebalan masing-masing lapisan (Tsymbal dan Pettifor, 2001). Struktur sandwich merupakan struktur dasar GMR yang terdiri dari tiga lapisan dengan susunan bahan ferromagnetik/nonmagnetik/ferromagnetik (FM-NM-FM). Struktur spin valve merupakan struktur sandwich yang diberi lapisan pengunci, sedangkan struktur multilayer merupakan struktur dengan pengulangan lapisan ferromagnetik/non magnetik (FM/NM) n dengan indeks n adalah jumlah pengulangan.

4 4 Dalam penelitian ini akan dilakukan pengujian nilai MR pada lapisan tipis dengan struktur multilayer dengan variasi ketebalan lapisan non magnetik dengan menggunakan metode empat titik. Lapisan tipis yang digunakan adalah [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 multilayer dengan beberapa variasi ketebalan lapisan Cu (x = 0,8, 0,9, 1,0, 1,1 dan 1,2 nm). Dari hasil pengujian nilai MR dengan variasi ketebalan lapisan non magnetik ini, sampel dengan nilai %MR tertinggi selanjutnya akan digunakan sebagai sensor magnetik dalam mendeteksi nanopartikel Fe 3 O 4. Nanopartikel Fe 3 O 4 yang akan digunakan disintesis sendiri dengan menggunakan metode kopresipitasi dengan beberapa bahan utama yang terdiri dari FeSO 4.7H 2 O, FeCl 3.6H 2 O dan larutan NH 4 OH. Serbuk nanopartikel Fe 3 O 4 akan dideteksi menggunakan sensor GMR dengan empat variasi konsentrasi pada saat pengenceran yaitu masing-masing 0,1 mg/ml, 1 mg/ml, 10 mg/ml dan 100 mg/ml. Harapannya dari hasil pengujian sensor GMR ini akan diperoleh hubungan antara konsentrasi Fe 3 O 4 dan MR yang terukur. Hasil ini akan mendukung dalam penggunaan nanopartikel Fe 3 O 4 sebagai pelabelan dalam aplikasi biosensor. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas dapat dibuat perumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana kesanggupan metode yang digagas dalam melakukan pengukuran MR dari lapisan tipis Co/Cu multilayer. 2. Bagaimana pengaruh variasi ketebalan lapisan non magnetik pada lapisan tipis Co/Cu multilayer terhadap nilai MR. 3. Bagaimana kemampuan sensor GMR Co/Cu multilayer dalam mendeteksi nanopartikel Fe 3 O Bagaimana pengaruh variasi konsentrasi Fe 3 O 4 terhadap hasil pengukuran MR menggunakan sensor lapisan tipis GMR Co/Cu multilayer.

5 5 1.3 Batasan Masalah Kegiatan dalam penelitian ini hanya akan dibatasi pada kajian gejala magnetoresistansi (GMR) dan pengamatan fenomena perubahan sifat GMR ketika dilapisi oleh material nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 dengan arah medan magnet luar sejajar dengan permukaan lapisan tipis. Pengukuran magnetoresistansi menggunakan metode empat titik yang telah dimodifikasi dan pengujian dilakukan pada suhu kamar, kelembapan 62 % dan tanpa menghitung pengaruh partikel debu dan kecepatan angin dalam ruangan. Pabrikasi lapisan tipis akan dilakukan di department of Quantum Engineering, Nagoya University, Furo-cho Chikasuka-ku, Nagoya, Jepang. 1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut: 1. Melakukan pengukuran MR lapisan tipis Co/Cu multilayer dengan menggunakan metode empat titik dan menunjukkan adanya gejala giant magnetoresistance (GMR). 2. Menganalisa pengaruh variasi ketebalan lapisan non magnetik pada lapisan tipis Co/Cu multilayer terhadap nilai MR. 3. Mengukur kemampuan sensor GMR Co/Cu multilayer dalam mendeteksi nanopartikel Fe 3 O Menganalisa pengaruh variasi konsentrasi Fe 3 O 4 terhadap hasil pengukuran MR menggunakan sensor lapisan tipis GMR Co/Cu multilayer. 1.5 Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang pengukuran lapisan tipis Co/Cu multilayer dengan variasi ketebalan lapisan non magnetik menggunakan metode empat titik dan adanya gejala GMR. Adanya fenomena GMR ini sangat potensial digunakan dalam aplikasi sensor magnetik. Pengujian sensor GMR Co/Cu multilayer dalam mendeteksi nanopartikel Fe 3 O 4

6 6 dengan variasi konsentrasi yang berbeda diharapkan juga dapat memberikan informasi dalam pengunaannya dalam aplikasi biosensor seperti pendeteksian bakteri, virus, protein, DNA dan jenis penyakit lainnya. 1.6 Sitematika Penulisan Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut: 1. Bab I menjelaskan latar belakang penggunaan sensor GMR untuk aplikasi sensor magnetik, dalam hal ini pendeteksian nanopartikel magnetik sehingga potensial digunakan dalam aplikasi biosensor, rumusan masalah, batasan masalah, manfaaat penelitian dan sistematika penulisan. 2. Bab II memuat hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya yang mendukung penggunaan sensor GMR untuk aplikasi sensor magnetik, dalam hal ini pendeteksian nanopartikel magnetik Fe 3 O Bab III menjelaskan teori dasar mengenai terminologi umum kemagnetan zat padat, domain magnetik, domain magnet dan domain wall, material ferromagnetik, lapisan tipis multilayer magnetik, resistansi listrik dan magnetoresistance (MR), interlayer exchange coupling (IEC), DC magnetron sputtering, nanopartikel magnetik dan sifat superparamagnetik serta metode karakterisasi material. 4. Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, prosedur penelitian, dan teknik pengolahan data. 5. Bab V memuat hasil dan pembahasan hasil dari penelitian yang telah dilakukan. 6. Bab VI memuat kesimpulan dan saran.