Gambar 1.1 Ilustrasi struktur MTJ (tanpa skala) dengan arah lapisan magentisasi (Ali, 2013)

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan tentang spintronik memberikan paradigma baru dalam teknologi modern saat ini. Elektron yang semula hanya dipandang sebagai muatannya saja, dalam spintronik arah elektron spin menjadi sumber informasi digital sebuah material. Proses manupulasi arah spin serta pergerakannya membuka jendela baru untuk meningkatkan kemampuan material dalam aplikasinya. Salah satu fenomena khusus yang dipelajari dalam bidang spintronik berkaitan dengan hal tersebut adalah efek tunnelling magnetoresistance (TMR) pada magnetic tunnel junctions (MTJs). Efek TMR pada MTJs menarik perhatian dunia karena mempunyai potensi yang besar untuk magnetoresistive random access memory (MRAM) dan sensor magnetik (Setyawan, 2013). MRAM merupakan teknologi yang memanfaatkan arah magnetisasi untuk penyimpanan informasi dalam biner. Teknologi MRAM dapat mempertahankan keberadaan data yang disimpan pada dirinya ketika supply energi dihentikan (non-volatile), memiliki kecepatan tulis dan baca yang cepat, membutuhkan sedikit listrik untuk menyimpan data dan mempunyai densitas yang tinggi. Dengan berbagai kelebihan yang MRAM punya, banyak pakar yang memprediksi bahwa MRAM akan menjadi sebuah universal memori yang sebenarnya. Dengan berbagai macam kelebihan yang MRAM punya, MRAM memiliki berbagai macam manfaat. Di dalam dunia aplikasi komersial, MRAM berguna untuk menyimpan data ketika system mengalami crash. Sedangkan pada dunia aplikasi hiburan (game misalnya), keberadaan MRAM digunakan pada feature resume, dimana pemain tidak akan kehilangan permainannya ketika terjadi mati listrik. MRAM juga memiliki manfaat untuk sistem keamanan dengan mengatur enkripsi. Parameter enkripsi dapat disimpan dengan cepat dan dipertahankan selama system mati. MRAM diprediksi akan 1

2 menggantikan keberadaan semua jenis memori saat ini, baik itu SRAM (Static Random Acces Memory), DRAM (Dynamic Random Acces Memory), flash, maupun ROM (Read Only Memory). Dengan adanya MRAM kebutuhan berbagai jenis memori telah tersatukan (Ali, 2013). Oleh sebab itu, penelitian untuk meningkatkan kemampuan material dalam penyimpanan data, termasuk teknologi MRAM menjadi salah satu fokus penelitian para ilmuan dunia. Pada tahun 2007 IBM secara formal memperkenalkan MRAM yang merupakan sebuah non-volatile memori, menggunakan muatan magnet. Arsitektur MRAM merupakan sebuah aplikasi dari spintronik (putaran elektron) yang mengkombinasikan teknologi Magnetik-Tunnel-Junction (MTJ) dan teknologi Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS). Seperti yang diilustrasikan pada gambar 1.1, MTJ tersusun atas sebuah lapisan magnetik permanen, dielectric tunnel barrier, dan sebuah lapisan magnetik bebas. Gambar 1.1 Ilustrasi struktur MTJ (tanpa skala) dengan arah lapisan magentisasi (Ali, 2013) Lapisan magnetik permanen memiliki arah magnetik (polarisasi) yang tidak dapat diubah selama operasi, sedangkan lapisan magnetik bebas memiliki arah magnetik (polarisasi) yang dapat diubah dengan mengaplikasikan medan magnetik yang cukup. Informasi pada MRAM disimpan pada lapisan sebelah atas (lapisan magnetik bebas) dengan memaksa elektron pada dielectric tunnel (tunnel insulator) berputar pada arah-arah tertentu. Penulisan bit pada MRAM dapat dilakukan karena adanya perbedaan polarisasi pada elektron diantara lapisanlapisan magnetik. Operasi baca dihasilkan dengan mengukur resistansi listrik dari sebuah sel material yang digunakan dan resistansi elektrik dari sebuah sel akan berubah menurut orientasi dari medan magnet pada dua buah lapisan magnetik MTJ. Oleh karena itu, kajian tentang struktur dan magnetisasi material, dalam hal 2

3 ini adalah magnetic domain wall, menjadi topik yang fundamental untuk pengembangan divais spintronik khususnya pada penyimpanan data. Pengetahuan dan pemahaman mengenai dinamika dan struktur magnetic domain wall dalam material menjadi hal yang sangat esensial dalam merealisasikan divais spintronik yang mempunyai kemampuan penyimpanan yang besar, non-volatile dan kecepatan penyimpanan yang tinggi. Salah satu material yang menjadi kandidat kuat untuk diteliti dalam pengembangan teknologi tersebut adalah Co/Pd. Karakter anisotropi magnetik Co/Pd yang kuat membuka peluang material ini dapat dipola (pattern) dengan ukuran yang sangat kecil tanpa kehilangan karakter magnetiknya karena efek panas. Sehingga hal ini dapat membuka peluang diaplikasikan sebagai medium perekaman dengan kerapatan sangat tinggi atau memori magnetik (Purnama, 2010). Penelitian yang telah dilakukan pada lapisan Co/Pd adalah melalui berbagai analisa eksperimen, baik dengan Transmission Electron Microscopy (TEM), Magnetic Force Microscopy (MFM) ataupun lainnya. Fokus penelitian ini pada kajian hubungan antara dimensi sampel Co/Pd dengan magnetic domain wall. Penyajian hasil analisa simulasi pergeseran magnetic domain wall lapisan tipis Co/Pd menggunakan software Object Oriented Micromagnetic Framework (OOMMF). 1.2 Rumusan Masalah Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimanakah mensimulasikan struktur domain Co/Pd dengan menggunakan software OOMMF sebelum dan setelah diberikan medan magnet luar? 2. Bagaimanakah pergeseran magnetic domail wall pada lapisan tipis Co/Pd dengan menggunakan software OOMMF? 3. Bagaimanakah pengaruh dimensi pada free lapisan Co/Pd terhadap karakteristik pergeseran magnetic domain wall Co/Pd? 3

4 1.3 Batasan Masalah Pada penelitian ini bahan yang digunakan adalah lapisan tipis Co/Pd dengan variasi ukuran dan ketebalan lapisan tipis tanpa memperhitungkan pengaruh dari kekasaran bahan. Pengaruh temperatur juga tidak diperhitungkan dalam penelitian ini. Ukuran, ketebalan dan cellsize bahan disesuaikan untuk mengetahui pola pergeseran magnetic domain wall. Penelitian difokuskan untuk mengamati pergeseran magnetik domain wall, magnetisasi, analisis energi anisotropi dan kecepatan pergeseran magnetic domain wall lapisan tipis Co/Pd menggunakan software OOMMF. Ukuran sel yang digunakan adalah 5 5 t dengan t merupakan ketebalan sampel. Variasi ketebalan yang digunakan adalah 1 nm, 3 nm, 5 nm, 8 nm dan 10 nm. Sedang ukuran sampel yang digunakan adalah nm 2, nm 2, nm 2 dan nm Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Menvisualisasikan struktur domain Co/Pd dengan menggunakan software OOMMF sebelum dan setelah diberikan medan magnet luar 2. Mengamati pergeseran magnetic domain wall pada lapisan tipis Co/Pd untuk sensor TMR dengan menggunakan simulasi mikromagnetik 3. Mengukur magnetisasi saturasi, energi anisotropi, dan kecepatan pergeseran magnetic domain wall lapisan tipis Co/Pd dengan memberikan variasi ukuran dan ketebalan. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Dapat menvisualisasikan struktur domain awal Co/Pd dengan menggunakan software OOMMF sebelum dan setelah diberikan medan magnet luar 2. Mengetahui pergeseran magnetic domain wall pada lapisan tipis Co/Pd yang diamati dengan menggunakan software OOMMF 4

5 3. Mengetahui pengaruh variasi ukuran dan ketebalan pada bahan Co/Pd terhadap magnetisasi saturasi, energi anisotropi dan kecepatan pergeseran magnetic domain wall. 1.6 Sistematika Penulisan Thesis ini terdiri dari enam bab antara lain: Bab I berisi mengenai latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah serta manfaat dari penelitian ini. Bab II berisi mengenai kajian pustaka yang berkaitan dengan penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya. Tinjauan pustaka berkaitan dengan uraian sistematis mengenai TMR, Co/Pd dan simulasi mikromagnetik. Bab III merupakan dasar teori yang mendukung thesis ini. Dasar teori yang dituliskan berisi mengenai teori TMR, histeresis loop, magnetik domain, energi sistem ferromagnetik serta teori mengenai simulasi mikromagnetik. Simulasi mikromagnetik dilakukan berdasarkan persamaan LLG. Bab IV berisi mengenai metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini. Pada metode penelitian akan dijelaskan bagaiman simulasi dilakukan serta beberapa analisa yang digunakan untuk membahas fenomenafenomena yang terjadi. Bab V merupakan hasil dan pembahasan. Hasil yang diperoleh berkaitan dengan pola pergerakan magnetic domain wall Co/Pd variasi ketebalan dan ukuran. Analisa yang dilakukan adalah mengenai kemiringan histerisis loop, SFD, medan koersifitas dan energi dari sistem yaitu energi total, energi exchange dan energi demagnetisasi Bab VI merupakan bab terakhir yang mengemukakan kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini. Selain kesimpulan, pada bab ini juga disertai dengan saran yang bertujuan agar penelitian selanjutnya lebih baik lagi. 5