ketebalan lapisan Cromium (Cr) sebagai lapisan coupling dengan menggunakan metode Current in line with Plane (CIP). Penelitian di bidang lapisan

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kemajuan teknologi memungkinkan pengembangan instrumen yang murah, berkualitas dan otomatis. Salah satu jenis instrumen yang akhir-akhir ini menarik untuk dikembangkan yaitu teknologi sensor yang dapat diaplikasikan pada berbagai bidang seperti bidang otomotif, teknologi pengolahan, bangunan, medis, komunikasi, teknologi informasi dan bidang industri. Sensor pada prinsipnya merupakan piranti yang mengubah besaran-besaran fisis seperti magnetik, radiasi, mekanik, dan termal atau kimia menjadi besaran listrik (Meijer dkk, 2008). Salah satu sensor yang cukup menarik perhatian para peneliti saat ini adalah sensor magnetik, yakni sensor yang mengukur besaran-besaran fisika berdasarkan perubahan medan magnet. Berbeda dengan 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, Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) magnetometer (Lee dkk, 2002), Anisotropic Magnetoresistive (AMR) (Miller dkk, 2000), Tunneling Magnetoresistance (TMR) dan Giant Magnetoresistive (GMR) (Rife dkk, 2003). Tunneling Magnetoresistance (TMR) dan Giant Magnetoresistance (GMR) merupakan fenomena perubahan Magnetoresistance (MR) dari suatu lapisan tipis ketika diberikan medan magnet eksternal. Fenomena TMR terjadi karena orientasi spin elektron pada tunneling antara dua lapisan ferromagnetik yang dipisahkan oleh bahan insulator sementara GMR terjadi karena perubahan MR yang cukup besar yang disebabkan oleh adanya hamburan pada saat transport elektron. Perubahan MR yang cukup besar menjadi dasar sensor berbasis TMR dan GMR sangat potensial untuk dikembangkan. Penelitian tentang sensor GMR pertama sekali dilakukan pada lapisan tipis multilayer superlaticce Fe/Cr dengan variasi 1

2 2 ketebalan lapisan Cromium (Cr) sebagai lapisan coupling dengan menggunakan metode Current in line with Plane (CIP). Penelitian di bidang lapisan tipis magnetik semakin intensif dilakukan setelah gejala Magnetoresistace (MR) ditemukan pada tahun 1988 (Fert dan Lottis, 1992). Prinsip dasar dari MR adalah perubahan resistivitas material sebagai akibat dari respon terhadap keberadaan medan magnet luar. Penelitian Fert dan Lotis pada 1988 melaporkan bahwa pada sampel single-crystalline (100) Fe/Cr/Fe yang disusun selang-seling (sandwich), kemudian pada lapisan multilayer Fe/Cr (100) menunjukkan bahwa perubahan nilai lebih besar jika dibandingkan dengan magnetoresistansi dari lapisan Fe secara individu (Parkin, 1995). Pembuatan lapisan tipis magnetik pertama kali dilaporkan oleh Bloiss pada tahun 1955 berupa lapisan tipis hasil deposisi vakum permalloy (Ni 80 Fe 20 ) dengan ketebalan 1000 Angstrom (Howson, 1994). Sensor GMR lapisan tipis terdiri dari struktur sandwich, spin valve (sandwich pinned) dan multilayer. Struktur sandwich merupakan stuktur dasar GMR yang terdiri dari tiga lapisan dengan susunan bahan ferromagnetik/nonmagnetik/ ferromagnetik (FM-NM-FM). Struktur spin valve (sandwich pinned) merupakan struktur yang diberi lapisan pengunci (pinning layer), sedangkan struktur multilayer adalah struktur dengan pengulangan lapisan ferromagnetik dan nonmagnetik (FM/NM) dengan indeks n adalah jumlah pengulangan (Djamal, 2009). Lapisan tipis magnetik dikembangkan untuk sistem penyimpanan (harddrive) dan pembacaan data digital (Wiesen dan Cross, 2003) dengan harapan akan tercipta sensor-sensor dengan akurasi, kecepatan, dan sensitivitas yang sangat tinggi pada ukuran yang sangat kecil. Sensor GMR dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti sensor pengukuran arus, pengukuran jarak, pengukuran kecepatan rotasi, dan keberadaan (prensence). 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, sifat magnetik dapat bervariasi dalam rentang yang sangat luas (Li dkk, 2006). Beberapa aplikasi sensor lain yang memanfaatkan GMR antara lain sensor magnetik dan sensor getaran (Djamal dkk, 2011), sensor magnetik pada sistem

3 3 deteksi arus listrik (Reig, 2009), GMR sebagai sensor pendeteksian DNA (Tamanaha, 2009), dan beberapa mulai merambah biosensor (Kasatkin, 2010). Salah satu aplikasi sensor magnetik berbasis lapisan tipis sensor GMR menggunakan lapisan tipis multilayer adalah untuk mendeteksi suatu keberadaan (presence). Dengan kemampuan tersebut, sensor GMR multilayer membuka peluang baru untuk melakukan penelitian lebih lanjut khususnya dalam aplikasi biosensor. Prinsip biosensor menggunakan sensor GMR adalah pelabelan biomolekul yang akan dideteksi menggunakan material nanopartikel magnetik. Beberapa jenis material magnetik yang digunakan dalam pelabelan biomolekul diantaranya nanopartikel CoFe 2 O 4, Fe 3 O 4, MnFe 2 O 4, dan NiFe 2 O 4. Nanopartikel Fe 3 O 4 merupakan salah satu jenis material magnetik yang cukup menjanjikan karena mempunyai karakteristik yang cukup potensial dalam aplikasi sensor magnetik GMR. Karakteristik nanopartikel Fe 3 O 4 meliputi nilai magnetisasi saturasi (M s ) yang tinggi, soft magnetik, medan koersifitas (H c ) yang kecil, dan nilai anisotropi yang rendah (Wang dan Li, 2008). Nanopartikel Fe 3 O 4 (magnetit) merupakan material magnetik yang memiliki berbagai sifat khas. Kekhasan nanopartikel Fe 2 O 3 ialah pada orde tertentu akan menampilkan watak superparamagnetik. Sifat superparamagnetik memicu nanopartikel bersifat lebih responsif terhadap medan magnet eksternal yang mempengaruhinya dibandingkan partikel Fe 3 O 4 dengan ukuran butir dalam orde mikrometer atau lebih besar. Sifat superparamagnetik juga memicu nanopartikel bersifat lebih dispersif dalam fluida biologi (biomolekul) dikarenakan momen magnetik pada nanopartikel Fe 3 O 4 bersifat tak stabil sehingga interaksi gaya magnetik antarpartikel menjadi sangat kecil (Punkhurst dkk, 2003). Penelitian tentang penggunaan sensor GMR berbasis lapisan tipis multilayer telah banyak dilakukan, seperti untuk mendeteksi nanopartikel magnetik (Rife dkk, 2003) dan biomolekul seperti mendeteksi DNA dengan sensor GMR tipe Cu/Ni 80 Fe 20 multilayer (Schotter dkk, 2003), mendeteksi bakteri dengan sensor GMR Magnetic Tunnel Junction (MTJ) (Millen dkk, 2005), mendeteksi ikatan enzim (Edelstein dkk, 2000), mendeteksi penyakit kanker (Zhang dkk, 2008). Sebuah sensor GMR dan sistem biomedical sensing berbasis momen magnetik

4 4 nanopartikel dengan sensitvitas yang tinggi pada Zeptomol (10-21 mol) sangat berpotensi untuk pengobatan personal (Wang dkk, 2009). Penggunaan biosensor magnetik dalam mendeteksi biomolekul dengan partikel yang relatif besar (>50 nm) akan mempengaruhi gerakan, sifat, dan ikatan biomolekul. Sistem GMR dalam mendeteksi nanopartikel dapat diterapkan dalam berbagai jenis biomolekul dan memantau sisa penyakit atau terjadinya kembali penyakit serta perawatannya melalui sifat magnetiknya. Dalam proses pendeteksian dan pelabelan biomolekul tidak dapat dilakukan secara langsung. Hal ini disebabkan karena material magnetik dan biomolekul tidak dapat berikatan secara langsung, sehingga dibutuhkan material sebagai template untuk menumbuhkan dan mengikat biomolekul tersebut. Untuk mengontrol distribusi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 digunakan polimer PEG. Beberapa material yang sering digunakan sebagai template pada nanopartikel yaitu PEG (Loh dkk, 2008). Distribusi ukuran partikel yang kecil memiliki tingkat keefektifan yang tinggi dalam penggunaannya. PEG dipakai sebagai template sehingga material tersebut berukuran nano meter atau dalam bentuk nanorods (Baqiya dan Darminto, 2011). Dalam penelitian ini akan dilakukan pengujian nilai Magnetoresistance (MR) pada lapisan tipis multilayer dengan variasi ketebalan lapisan non magnetik dengan menggunakan metode empat titik. Lapisan tipis yang digunakan adalah Si/Cr(5nm)/[Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 /Cr(5nm) multilayer dengan beberapa variasi ketebalan lapisan Cu (x = 0,8 nm, 0,9 nm, dan 1,0 nm). Pengamatan efek GMR lapisan tipis Co/Cu multilayer lebih maksimal karena perpaduan sifat magnetik Co/Cu yang saling antiparallel (Clegg, 1984). Perubahan MR akan diamati ketika dilapisi material nanopartikel Fe 3 O 4. Nanopartikel Fe 3 O 4 disintesis dengan metode kopresipitasi dengan bahan utama FeSO 4.7H 2 O, FeCl 3.6H 2 O dan larutan NH 4 OH. Biomolekul yang digunakan untuk melapisi permukaan Fe 3 O 4 adalah Poliethylene Glycole (PEG)-4000 karena PEG-4000 merupakan salah satu zat yang dapat dipakai untuk membentuk dan sekaligus mengontrol ukuran dan struktur pori dari partikel. PEG-4000 juga berfungsi sebagai template, yang membungkus partikel dikarenakan PEG-4000 menempel pada permukaan partikel dan menutupi ion

5 5 positif yang bersangkutan untuk bergantung dan membesar, sehingga pada akhirnya akan diperoleh partikel dengan bentuk bulatan yang seragam (Zhang dkk, 2008). Selanjutnya perubahan MR diamati ketika lapisan tipis Co/Cu multilayer dilapisi dengan nanopartikel Fe 3 O 4 yang difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000, dan nanopartikel Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan biomolekul formalin, serta nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan enzim α-amylase. Hasil pengujian sensor GMR ini akan diperoleh hubungan antara konsentrasi Fe 3 O 4 dan resistivitas yang terukur. Hasil ini akan mendukung dalam penggunaan nanopartikel Fe 3 O 4 sebagai pelabelan dalam aplikasi biosensor yang mampu menganalisa sifat kemagnetan material dan mampu mendeteksi nanopartikel Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini adalah: 1. Bagaimana pengaruh variasi ketebalan lapisan lapisan tipis [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 multilayer terhadap fenomena Giant- Magnetoresistance (GMR). 2. Bagaimana perubahan fenomena Magnetoresistance (MR) sensor lapisan tipis [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 ketika dilapisi dengan : a) nanopartikel magnetik Fe 3 O 4, b) nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000, c) nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan biomolekul formalin, d) nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan enzim α-amylase Batasan Masalah Lingkup penelitian ini dibatasi pada pengukuran Magnetoresistance (MR) dengan sensor GMR berbasis lapisan tipis [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 multilayer dan

6 6 pengamatan fenomena perubahan sifat GMR ketika dilapisi oleh material nanopartikel magnetik Fe 3 O 4, nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000, dan nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan biomolekul formalin, serta nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan enzim α-amylase. Pengukuran resistansi menggunakan sistem empat titik yang telah dimodifikasi dan dilakukan pada suhu kamar, kelembaban 62% dan tanpa menghitung pengaruh partikel debu dan kecepatan angin dalam ruangan. Fabrikasi lapisan tipis dilakukan di Department of Quantum Engineering, Nagoya University, Furo-cho Chikasuka-ku, Nagoya, Jepang Tujuan Penelitian Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah: 1. Mengetahui fenomena Magnetoresistance (MR) dari lapisan tipis [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 multilayer dengan variasi ketebalan lapisan Cu. 2. Mengetahui perubahan Magnetoresistance (MR) dengan menggunakan sensor lapisan tipis [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 multilayer pada nanopartikel magnetik Fe 3 O 4, Fe 3 O 4 yang difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000, Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan biomolekul formalin, serta Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan enzim α-amylase Manfaat Penelitian Penelitian pada lapisan tipis Si/Cr(5nm)/[Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 /Cr(5nm) struktur multilayer diharapkan dapat memberikan informasi tentang fenomena Magnetoresistance (MR) dengan variasi ketebalan lapisan Cu. Selanjutnya akan diamati perubahan MR ketika dilapisi dengan Fe 3 O 4, Fe 3 O 4 difungsionalisasi dengan PEG-4000, Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan PEG-4000 dan penambahan biomolekul jenis formalin, dan Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan PEG-4000 dan penambahan enzim α-amylase. Dengan informasi yang

7 7 diperoleh dapat menjadi bahan referensi dalam mengembangkan sensor GMR berbasis lapisan tipis multilayer untuk aplikasi biosensor seperti pendeteksian bakteri, virus, protein, DNA dan jenis penyakit lainnya dalam penelitian selanjutnya Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut: 1. Bab I menjelaskan latar belakang perkembangan sensor GMR berbasis lapisan tipis magnetik dan berbagai aplikasi dalam nanoteknologi, diantaranya sensor magnetik. Analisa sifat GMR berbasis lapisan tipis [Co(1,5nm)/Cu(x)] 20 multilayer akibat pemberian medan magnet eksternal ketika dilapisi oleh material nanopartikel magnetik Fe 3 O 4, dilapisi material nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan PEG, dilapisi material nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan PEG dan penambahan biomolekul formalin, serta nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan enzim α- amylase, rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. 2. Bab II memuat hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya yang mendukung dilakukannya penelitian mengenai sensor magnetik dan pengaruh medan eksternal ketika dikenai pada sebuah lapisan tipis GMR terhadap nilai resistansi dan rasionya, sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000, sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 yang telah difungsionalalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan biomolekul formalin, sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi dengan polimer PEG-4000 dan penambahan enzim α-amylase. 3. Bab III menjelaskan teori dasar tentang terminologi kemagnetan material, sifat ferromagnetik, domain magnetik dan kurva histeresis, energi-energi pada sistem ferromagnetik, GMR, metode FPPS,

8 8 exchange interaction, lapisan tipis multilayer, nanopartikel Fe 3 O 4, polimer PEG, biomolekul formalin, enzim α-amylase, metode kopresipitasi, dan metode karakterisasi material. 4. Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, skema dan prosedur penelitian, serta teknik analisis data. 5. Bab V memuat pembahasan hasil dari penelitian yang telah dilakukan. 6. Bab VI memuat kesimpulan dan saran.