ANALISIS SIFAT LISTRIK DAN MAGNETIK LAPISAN TIPIS Ni80Fe2o HASIL DEPOSISI SEBAGAI BAHAN DASAR SENSOR MAGNET

Transkripsi

1 55 ANALISIS SIFAT LISTRIK DAN MAGNETIK LAPISAN TIPIS Ni80Fe2o HASIL DEPOSISI SEBAGAI BAHAN DASAR SENSOR MAGNET SPUTTERING Budi Purnama, Fahru Nurosyid, Kamsul Abraha, Sudjatmoko ABSTRAK Telah dilakukan analisis mengenai sifat listrik dan sifat magnetik lapisan tipis permalloy Ni8oFe2o yang dideposisi dengan metode sputtering di atas substrat kaca. Karakterisasi fisis lapisan mencakup penentuan struktur mikroskopisnya melalui analisis difraksi sinar-jf (XRD) dan SEM, serta pengukuran resistansi listrik dan GMR melalui metode four point probe yang dimodifikasi. Hasil XRD mengindikasikan bahwa struktur lapisan yang terbentuk didominasi oleh suatu karakteristik kubus beipusat sisi (fee) dengan orientasi bidang hkl (777) tegaklurus pada bidang lapisan. Hasil SEM menunjukkan hubungan antara ketebalan lapisan tipis dengan tingkat kerataan. Pengukuran menunjukkan resistivitas lapisan tipis tergantung pada ketebalan. Pengukuran GMR memberikan hasil yang menegaskan ketergantungannya pada ketebalan lapisan tipis permalloy tersebut. Akhirnya, watak simetris kurva GMR di sekitar medan magnet nol juga berhasil teramati secara jelas di dalam analisis. Kata kunci: gejala magnelo-resistansi, sputtering, four point probe ABSTRACT The analysis of electrical and magnetic properties in pennalloy permalloy NigoFe2o thin films prepared by sputtering method on glass substrate is reported. The physical characterization of these films including its microscopic structure detemiined by A"-Ray Diffraction (XRD) and SEM as well as its electric resistance measurement and magneto-resistance by a modified four point probe method. The XRDresultsindicate that the deposited thin film structure is dominated by the characteristic face-centered cubic structure with its (111) plane orientation nonnal to the plane of the film. The SEM result indicates the relation between the thickness of thin films and the surface roughness. Theresistivityof the films depend on the thickness of the films. The measurement of permalloy magneto-resistance shows the thickness dependence. Finally, the symmetrical feature of the magneto-resistance curves near zero applied magnetic fields is also successfully observed in the analysis. Keywords: magneto-resistance, sputtering, four point probe 1. PENDAHULUAN Sejflk ditemukannya gejala magmto-resistansi (GMR) pada tahun 1988 (Fert dkk. 1995), penelitian mengenai lapisan tipis semakin intensif dilakukan. Pemanfaatan dan penerapan sifat GMR lapisan tipis tersebut di dalam berbagai bidang, khususnya dalam pengadaan media perekaman (Mapps 1994) dan sensor magnetik (Clegg 1984) merupakan salah satu faktor pendorong utama makin maraknya penelitian di bidang ini. Beberapa laporan menyebutkan bahwa besar prosentase perubahan GMR, terutama untuk sistem multilapisan seperti NiFe/Cu misalnya, sedikit * Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Sebelas Marel Surakarta Jurusan Fisika, FMIPA, UGM, Yogyakarta P3TM, Balan, Yogyakarta banyak bergantung pada ketebalan lapisan tersebut. Besar GMR ini akhirnya mencapai nilai jenuh pada ketebalan sekitar 40 nm (Rijks 1996), artinya tebal lapisan akan menentukan besar kecilnya sumbangan yang berasal dari efek hamburan spin pada nilai resistansi bahannya. Tujuan utama laporan ini adalah untuk menganalisis ketergantungan perubahan GMR lapisan tipis ferromagnetik Ni8oFe2o, yang dideposisi dengan metode sputtering, terhadap perubahan ketebalan lapisan tersebut. Dalam makalah ini juga akan disajikan beberapa hasil pengukuran difraksi sinar-x (X-Rcty Diffraction=XRD) dan metode pengukuran resistansi yang berbasis teknik four point probe yang dimodifikasi. Vol. 15, No. 2, Mei Majalah IPTEK

2 56 2. DASAR TEORI Salah satu sifat fisis material ferromagnetik Ni80Fe2o (atau yang biasa dinamakan permalloy) yang menguntungkan adalah kemampuannya untuk menerima hanya satu keadaan polarisasi magnetik atau magnetisasi. Artinya, permalloy mempunyai arah magnetisasi tunggal. Selain itu perbandingan geometri yang kecil antara ketebalan dengan panjangnya permalloy mengakibatkan terciptanya kestabilan magnetisasi tanpa disertai gejala demagnetisasi. Permalloy juga sangat cepat merespons medan magnet yang berasal dari perubahan arus yang terjadi (Watson 1994). Ada dua sifat penting yang menentukan watak respon bahan magnetik terhadap medan magnet terpasang yaitll anisotropi magnetik dan struktur ranah magnetiknya. Sementara itu untuk meminimalkan energi diri magnetostatik (magnetostatic self-energy), material akan mendistribusi sejumlah rapat polarisasi magnetiknya dalam sejumlah ranah. Arah magnetisasi dalam suatu ranah {domain) ditentukan oleh anisotropi magnetik. Kebanyakan material magnetik memiliki bermacam-macam anisotropi dengan magnetisasi terletak sepanjang sumbu mudah (easy axis) dalam medan nol. Arah sumbu mudah ini biasanya mengikuti salah satu arah tertentu dalam kristal, yaitu yang lazim dinamakan sumbu-sumbu kristal. Kalau memungkinkan secara energitika, magnetisasi film magnetik sangat tipis diharapkan terletak pada bidang (Gambar 1). Anisotropi ini biasa disebut anisotropi permukaan dan mempunyai implikasi penting dalam rekayasa media perekaman (recording media). Secara keseluruhan perilaku magnetik dari sebuah lapisan tipis ditentukan oleh adanya kompromi atau keseimbangan diantara energi tukar (exchange energy), energi magnetostatik dan energi anisotropi. Akibatnya, material magnetik akan mendistribusi sejumlah rapat polarisasi magnetik dalam sejumlah ranah sehingga memungkinkan ranah-ranah yang bertetangga akan mempunyai arah momen magnetik yang berbeda yang dipisahkan oleh dinding ranah (domain wall). Dinding ini menunjukkan pembalikan arah magnetisasi ranah satu dengan lainnya yang menempati (N + 1) bidang atomik. Pendistribusian rapat polarisasi magnetik dalam ranah magnetik berlangsung sebagai usaha untuk mereduksi energi diri magnetostatik (magnetostatic self energy), sehingga ukuran ranah ditentukan oleh keseimbangan antara energi tukar dengan energi magnetostatik. Energi diri magnetostatik berasal dari interaksi antara magnetisasi sampel M dengan demagnetisasi internal ph dengan H adalah sama dengan D M untuk D adalah faktor geometri yang tergantung pada fraksi luasan sampel magnetisasi. Dengan terjadinya pendistribusian rapat magnetik polarisasi dalam ranah sampel maka terjadi pula pengurangan luasan magnetisasi sehingga mengurangi faktor geometri yang berakibat terjadinya pengurangan energi diri magnetostatik. Dengan demikian, tanpa medan luar energi diri magnetik tersebut sudah minimal dengan kata lain medan luar dapat direduksi sampai nol. A V A (a) 4 T T T < > Gambar 1. Diagram skematik dalam ranah. a. Diagram skematik dari sebuah ranah tunggal lapisan tipis dengan magnetisas dalam bidang gambar. b. Diagram skematik ranah lapisan tipi dengan sumbu mudah tegaklurus pada bidang lapisan tipis dan membelah dalam beberapa ranah. Pendistribusian rapat polarisasi magnetik dalam sejumlah ranah ditentukan pada keseimbangan antara pasangan energi tukar (exchange couplin energy) yang berperan dalam mensejajarkan atom -> w w Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004

3 57 atom magnetik dan energi anisotropi magnetik (magnetic anisotropy energy) yang berperan mensejajarkan momen-momen magnetik pada sumbu mudah. Energi tukar tiap unit luasan dinding adalah: An d) dengan A menyatakan konstanta tukar yang berhubungan dengan kekuatan pasangan tukar, S adalah lebar/tebal dinding ranah. Jika momen magnetik berputar dari sumbu mudah dengan sudut <j>, maka penambahan energi tiap unit volume dilukiskan dengan K sin <f>. Energi ini minimum bila momen magnetik berorientasi searah panjang sumbu mudah dengan <M) atau 180. Dengan demikian energi anisotropi tiap unit luasan dinding adalah * 2 (2) Karakterisasi pokok yang dilakukan terhadap lapisan tipis hasil deposisi terdiri dari dua bagian, yaitu untuk menganalisis struktur mikroskopis dan sifat kelistrikan melalui pengukuran besarnya GMR. Pertama, struktur mikroskopis lapisan yang terbentuk dianalisis melalui teknik XRD dengan menggunakan sumber radiasi K a dari katoda Cu yang memiliki panjang gelombang sekitar 1.54 angstrom. Kedua, pengukuran resistansi lapisan tipis dilakukan dengan memakai metode four-point probe yang telah dimodifikasi (Vander Voort dkk. 1995) dengan konfigurasi keempat elektrodanya seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2. Keempat probe dibuat sendiri dari bahan lempang baja (stainless steel) dengan jarak antar probenya sebesar kurang lebih 4 mm. Pengukuran resistansi hanya dilakukan pada suhu kamar (ruangan). Nilai nisbah GMR didefinisikan sebagai perbandingan antara besar perubahan resistansi terhadap nilai resistansi dalam medan nol, yaitu seperti yang dirumuskan (Zeltser dan Smith 1996) dalam bentuk, Keseimbangan pasangan energi tukar dan energi anisotropi dicapai untuk lebar dinding, Atf R(0) - R(H) R(0) R(0) (4) (3) 3. METODE EKSPERIMEN Lapisan tipis yang terbentuk dalam eksperimen ini merupakan hasil deposisi sputtering pada substrat kaca berukuran 1 cm x 2.5 cm. Sebelumnya substrat dibersihkan teriebih dahulu dengan ultrasonic cleaner selama 20 menit dalam larutan alkohol 99%. Suhu substrat saat deposisi adalah 200 C. Target Ni-Fe terbuat dari serbuk Ni dan Fe, dengan kemurnian masing-masing sama besar yaitu 99.95% yang dipres dengan gaya tekan sekitar 16 ton (566 kg/cm'). Sebelum dan sesudahnya target dipanaskan (disintering) pada suhu 400 C selama 10 menit. Sebagai ion penembak dalam proses pendeposisian adalah ion-ion gas argon yang ditambahkan dengan oksigen reaktif. Jarak kedua elektrode saat deposisi adalah 1 cm dengan beda tegangan keduanya adalah 1.4 kv dan arus 16 ma. Gambar 2. Bagan skematis four telah dimodifikasi. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN point probe yang Untuk mengukur ketebalan dan struktur morfologi permukaan lapisan tipis yang terbentuk dilakukan pemotretan dengan SEM (Scanning Electron Microscope). Tipikal hasil potret SEM arah paralel tampang lintang permukaan dapat ditunjukkan dalam Gambar 3. Vol. 15, No. 2, Mei Majalah IPTEK

4 Gambar 3. Hasil pemotretan SEM arah paralel tampang lintang permukaan untuk dua variasi waktu deposisi, a) 1.5 jam (perbesaran kali) dan b) 2 jam (perbesaran kali). Dengan hasil ini kita dapat menentukan secara langsung ketebalan lapisan tipis yang diperoleh. Sedangkan hasil pemotretan SEM arah tegaklurus tampang lintang permukaan ditunjukkan dalam Gambar 4. Teramati dengan jelas bahwa morfologi permukaan lapisan tipis untuk ketebalan lebih tebal lebih merata dibandingkan dengan lapisan masih tipis. Hal ini terkait dengan proses difusi yang terjadi saat proses deposisi berlangsung. Artinya proses interaksi atom-atom penyusun lapisan tipis saat difusi menyebabkan permukaan semakin rata. Gambar 4. Hasil pemotretan SEM arah tegaklurus tampang lintang permukaan untuk dua variasi ketebalan, a) 0.55 um dan b) 1.1 urn. Sedangkan dari analisis difraksi sinar-x (XRD), seperti tampak dalam Gambar 5 untuk ketebalan 0.9 urn dan 1.1 [im diperoleh hasil bahwa struktur kristal lapisan tipis permalloy yang terbentuk terlihat amat didominasi oleh karakteristik suatu kristal kubus berpusat sisi (fee) dengan orientasi bidang hkl (111) pada sudut 25=44.4. Hasil ini ternyata amat sesuai dengan hasil dalam literatur (Rijks 1996). Orientasi tunggal bidang (111) pada sudut 26 tersebut menunjukkan bahwa pertumbuhan kristal teramati cukup mantap pada sudut tersebut dengan arah pertumbuhan lapisan adalah tegaklurus pada bidang kristal tadi (Zeltser dan Smith 1996). 1 H H M ICOHHtl)- if l. a inife(lll) 64. B to. e 3 ft. H IG. e I count l I n M fewll) NiFe(lll) fi A t ' ' z ' «V n ftn'-' aa l-2 Gambar 5. Spektrum XRD lapisan NiFe dengan ketebalan 1.1 um (atas) dan 0.9 um (bawah). Intensitas maksimum terletak pada sudut 2 =44.4. Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004

5 2 -i 3.4 GMR 1,1 Mikrometer E G t o X > _3.35 a. 3.3 e * 3.2» I T 5 U Tebal Lapisan (um) CO V O ^ «> I*". Medan Magnet (mt) GMR 0,9 Mikrometer Gambar 6. Hasil pengukuran resistivitas lapisan tipis untuk variasi ketebalan. Dari Gambar 6 di atas teramati dengan jelas bahwa terjadi penurunan resistivitas seiring dengan peningkatan ketebalan dan terlihat tidak teratur. Penurunan resistivitas ini dipengaruhi banyak hal salah satunya adalah lapisan tipis kurang merata sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 4. Gambar 7 menampilkan dua grafik GMR lapisan tipis permalloy dengan dua macam ketebalan yang berbeda. Dari kedua grafik tersebut teramati dengan jelas watak simetris serta maksimumnya nilai resistansi di sekitar medan 5=0. Seperti telah dibahas sebelumnya, keberadaan resistivitas magnetik ini tidak dapat dipisahkan dari adanya ketakteraturan spin (spin disorder) dalam bahan tersebut yang berasal dari exchange scattering. Bila dipasang medan magnet luar maka ketakteraturan tersebut mulai berkurang sehingga sumbangan Feiistivitas pada resistansi yang terukur juga berkurang. Sumbangan resistivitas magnetik akan minimal pada saat spin-spin magnetik paling teratur atau terarah. Dari Gambar 6 terlihat dengan jelas bahwa keadaan ini terjadi pada saat medan B kira-kira sebesar 4 mt. Artinya, pada keadaan ini arah magnetisasi telah searah dengan arah medan luar terpasang. Medan Magnet (mt) Gambar 7. Grafik GMR lapisan Ni-Fe dengan tebal 1.1 um (atas) dan 0.9 um (bawah). Kurva menunjukkan nilai jenuh pada saat medan mencapai 4 mt. Nisbah GMR adalah 3.8% (atas) dan 7.6% (bawah). Gambar 8 menampilkan grafik hubungan antara prosentase nisbah GMR seperti yang diberikan dalam persamaan (1) dengan ketebalan lapisan Ni- Fe. Dari pengukuran GMR tersebut tampak bahwa tiga pengukuran terakhir menunjukkan nilai GMR yang menurun terhadap ketebalan. dapat dijelaskan sebagai berikut; Kenyataan ini Hamburan spin yang terjadi dalam material magnetik adalah hamburan spin flip (spin flip scattering) dan hamburan potensial (potential scattering) (Fert dan Lottis 1992). Kedua hamburan tersebut menimbulkan perbedaan jumlah keadaan elektron-elektron konduksi di kedua kanal spin up dan spin down. Karena efek hamburan spin lebih efektif untuk lapisan yang lebih tipis maka peningkatan ketebalan menyebabkan nilai GMR turun. Vol. 15, No. 2, Mei Majalah IPTEK

6 60 mengalami kejenuhan, artinya nilai GMR tidak lagi berubah meskipun medan terus dinaikkan. 5) Pengukuran GMR juga memperlihatkan ketergantungan nilainya pada ketebalan lapisan. DAFTAR ACUAN Ketebalan(Mikrometer) Gambar 8. Hubungan GMR lapisan tipis Ni-Fe dengan ketebalan. Terlihat GMR menurun dengan peningkatan ketebalan. Yang juga dapat diamati dalam Gambar 8 adalah bahwa nilai GMR untuk lapisan dengan ketebalan eekitar 0.55 jxui adalah sangat kecil bila dibandingkan dengan nilai untuk ketebalan yang lain. Ini diduga dikarenakan proses rekristalisasi yang kurang sempurna dan adanya pengotor non magnetik (Fert dkk. 1995) dalam lapisan yang terbentuk. Disini, kehadiran pengotor non magnetik yaitu hamburan yang tidak menimbulkan perbedaan populasi kanal-kanal spin up dan spin down yang optimal (Fert dan Lottis 1992). Akibatnya, perbedaan resistivitas (resistansi) dua kanal tersebut tidak besar dan artinya perubahan nilai GMR yang terukur juga kecil. 5. SIMPULAN Dari analisis GMR lapisan tipis permalloy ini dapat dirumuskan beberapa butir kesimpulan sebagai berikut: 1) Dari analisis XRD dapat diturunkan bahwa lapisan tipis yang dihasilkan menampilkan dominasi struktur kristal kubus berpusat sisi dengan bidang Miller (111) tegaklurus pada bidang lapisan tipis tersebut. 2) Resistivitas lapisan tipis terukur menunjukkan ketergantungannya dengan ketebalan. 3) Pengukuran GMR berhasil memperoleh dua karakter pokoknya, yaitu watak simetris serta maksimum nilai resistansi di sekitar medan 5=0. Clegg, W. (1984), Some Aspects of Thin Film Magnetoresistive Sensors, Physics of Magnetic Material, Word Scientific, Singapore. Fert, A., Grunberg, P. dan Zinn, W. (1995), Layered Magnetic Structure: Interlayer Exchange Coupling and Giant Magneto-resistance, J. Magn. Mater, , pp Fert, A., dan Lottis, D.K. (1992), Magnetotransport Phenomena, dari Encyclopedia of Magnetic and Superconducting Materials, ed. S.E.Everts, pp Mapps, D.J. (1994), Magnetoresistance, Applied Magnetism, Kluwer Academic Publisher, Netherlands, pp Rijks, Th.G.S.M. (1996), Layered Thin Films for Sensor Applications: Magnetoresistance and Magnetic Interaction, Ph.D Thesis, Eindhoven University of Technology. Vander Voort, K.G., Willingham, J.M., dan Morris, L.H. (1995), Simple Inexpensive Probe for Resistivity Measurements Above 77 K on Metals and Superconductors, Am.J.Phys.63, pp Watson, J.K. (1994), Magnetic Devices, Encyclopedia of Physical Science and Technology, 2nd Edition, Volume 9, Academic Press, Inc. New York. Zeltser, A.M., dan Smith, N. (1996), Giant Magnetoresistance in Evaporated NiFe/Cu and NiFeCo/Cu Multilayers, J.App.Phys.79, pp ) Ditemukan pula bahwa respons lapisan tipis terhadap medan magnet terpasang akhirnya akan Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004