BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan sensor magnetik berbasis teknologi Giant Magnetoresistance (GMR) pada saat ini menarik minat banyak peneliti. Hal ini dikarenakan material GMR memiliki sifat listrik dan magnetik yang baik. Disamping itu, keuntungan lain dari penggunaan teknologi GMR ini adalah memiliki sensitivitas yang tinggi dan respon yang cepat pada medan magnet rendah (Djamal dan Ramli, 2012). Prinsip dasar Giant magnetoresistance adalah perubahan resistansi pada lapisan multilayer magnetik ketika diberikan medan magnet luar dan merupakan efek mekanika kuantum yang bergantung pada fenomena scattering spin. Ketika medan eksternal diberikan pada multilayer Fe/Cr, arah magnetisasi pada lapisan Fe akan berotasi ke arah paralel seiring dengan meningkatnya medan eksternal hingga akhirnya moment magnetik total mengalami saturasi. Selama rotasi magnetisasi dari antiparalel menuju paralel terjadi perubahan resistansi yang besar. Asal dari perubahan resistansi ini adalah hamburan elektron antara wilayah magnetisasi paralel dan antiparalel pada lapisan ferromagnetik yang disebut dengan spin dependent transport (Shirota, 1999). Struktur lapisan tipis GMR berpengaruh terhadap nilai resistansi, sehingga banyak penelitian dilakukan untuk menemukan struktur metal-magnetik yang bisa menghasilkan perubahan resistansi yang besar. Ada tiga tipe lapisan GMR, sandwich, multilayer dan spin valve. 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 terdiri dari lapisan ferromagnetik/nonmagnetik/ferromagnetik/antiferromagnetik dimana lapisan antiferromagnetik berperan sebagai lapisan pengunci (pinning layer) arah 1

2 2 magnetisasi lapisan ferromagnetik dibawahnya. Sedangkan struktur multilayer adalah struktur dengan pengulangan lapisan feromagnetik/nonmagnetik (FM/NM) n dengan indeks n adalah jumlah pengulangan lapisan (Djamal, 2009). Selain dari jenis struktur penyusunnya, sifat GMR pada lapisan tipis juga dipengaruhi oleh ketebalan lapisan magnetik dan non magnetik (Xu, 2000). Dalam penelitian ini digunakan lapisan tipis GMR spin valve Co 90 Fe 19 B 4 /Cu/Co 90 Fe 19 /Mn 80 Ir 20 (free layer /barrier/pinned layer/pinning layer/) yang lapisan magnetik free layer dan nonmagnetik barrier divariasikan untuk menguji kualitas dari nanopartikel magnetik. Nanopartikel magnetik telah menjadi objek penelitan yang menarik karena sifatnya yang aplikatif di berbagai bidang seperti, bioteknologi, penyimpan data dan biomedis. Diantara jenis material magnetik, CoFe 2 O 4 banyak diteliti karena memiliki stabilitas kimia dan kekerasan mekanik yang baik. Selain itu, dengan mengontrol ukuran material, CoFe 2 O 4 akan memiliki sifat superparamagnetik yang memiliki magnetisasi tinggi ketika diberi medan eksternal, namun memiliki magnetisasi rata-rata nol tanpa medan eksternal (Mattei, 2007). Sehingga, nanopartikel CoFe 2 O 4 mudah dikondisikan dalam aplikasinya. Salah satu cara memodifikasi material CoFe 2 O 4 yaitu pelapisan dengan polimer, seperti polyethilen glycol (PEG). PEG merupakan suatu jenis polimer yang dapat digunakan untuk membentuk dan mengontrol ukuran partikel. Penggunaan PEG bertujuan untuk menambah dispersibilitas, biokompatibel dan stabilitas kimia CoFe 2 O 4 (Tamhankar, 2011). Selain itu, PEG juga dapat berfungsi sebagai templete yang membungkus partikel sehingga tidak terjadi agregat lebih lanjut, sehingga diperoleh ukuran partikel yang seragam. Pemodifikasian nanopartikel magnetik dengan PEG sangat berpotensi untuk mengikat senyawa biomolekul seperti biomolekul formalin.

3 3 Dalam penelitian ini, akan diteliti bagaimana perubahan resistansi pada lapisan tipis GMR yang lapisan magnetik dan nonmagnetiknya divariasikan ketika dilapisi nanopartikel CoFe 2 O 4, CoFe 2 O 4 termodifikasi dengan PEG dan CoFe 2 O 4 termodifikasi PEG yang telah mengikat formalin. Dengan sifat PEG yang mampu mengikat biomolekul, penelitian ini berpotensi dikembangkan dalam teknologi biosensor magnetik. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, permasalahan yang timbul dan perlu dikaji lebih lanjut adalah : 1. Bagaimana fenomena perubahan hasil pengukuran magnetoresistance (MR) dengan menggunakan sensor lapisan tipis GMR berstruktur spin valve ketika dilapisi nanopartikel magnetik CoFe 2 O 4, nanopartikel CoFe 2 O 4 yang telah dimodifikasi dengan PEG dan nanopartikel CoFe 2 O 4 termodifikasi PEG yang telah mengikat biomolekul jenis formalin. 2. Bagaimana perubahan nilai MR pada nanopartikel magnetik CoFe 2 O 4 CoFe 2 O 4 yang dimodifikasi dengan PEG, dan CoFe 2 O 4 termodifikasi PEG yang telah mengikat biomolekul jenis formalin, setelah dilapiskan di atas lapisan tipis GMR dengan perbedaan ketebalan lapisan magnetik dan non magnetik. 1.3 Batasan Masalah Dengan waktu dan perlengkapan yang sangat terbatas sedangkan luas cakupan penelitian yang sangat luas, maka penelitian ini dibatasi pada beberapa hal : 1. Membuat 4-point probe system berbahan utama plat tembaga yang didesain model segitiga.

4 4 2. Pengujian karakteristik Giant Magnetoresistance (GMR) dari lapisan tipis Co 90 Fe 19 B 4 /Cu/Co 90 Fe 19 /Mn 80 Ir 20 dilakukan pada suhu kamar, medan eksternal maksimum ~600 Gauss atau ~50 Oe input arus maksimum 5 A. 3. Variasi yang dilakukan dibatasi pada variasi tebal lapisan Barrier Cu sebesar 2,2 nm dan 2,8 nm, kemudian variasi ketebalan Free layer 10 nm dan 7 nm. Orientasi medan eksternal searah magnetisasi lapisan tipis atau kondisi easy direction. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mengukur nilai Perubahan Magneteoresistance dengan sensor lapisan tipis GMR ketika dilapisi nanopartikel CoFe 2 O 4, CoFe 2 O 4 yang dimodifikasi dengan polimer PEG, dan CoFe 2 O 4 termodifikasi PEG yang telah mengikat biomolekul formalin. 2. Mengukur pergeseran nilai MR pada nanopartikel magnetik CoFe 2 O 4, CoFe 2 O 4 yang dimodifikasi dengan PEG, dan CoFe 2 O 4 termodifikasi PEG yang telah mengikat biomolekul jenis formalin, setelah dilapiskan di atas lapisan tipis GMR dengan perbedaan ketebalan lapisan magnetik dan non magnetik. 1.5 Manfaat Penelitian Dengan penelitian ini dapat memberikan diperoleh informasi mengenai perubahan nilai magnetoresistance (MR) berbasis sensor lapisan tipis Giant Magnetoresistance (GMR) struktur spin valve yang memvariasikan ketebalan barrier dan free layer, dan ketika lapisan tipis GMR dilapisi nanopartikel CoFe 2 O 4 dan CoFe 2 O 4 yang dimodifikasi dengan PEG. Dengan kemampuan lapisan tipis GMR sebagai sensor magnetik, CoFe 2 O 4 yang responsif terhadap medan magnet rendah, dan PEG sebagai pengikat biomolekul formalin,

5 5 diharapkan hasil dari penelitian ini berpotensi untuk dikembangkan dalam bidang biosensor magnetik. 1.6 Sistematika Penulisan Penulisan tesis ini dibagi menjadi 6 bagian, dengan sistematika sebagai berikut: 1. Bab I merupakan pendahuluan yang menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian, 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 pengaruh medan eksternal ketika dikenai pada sebuah thin film GMR dan pengaruh lapisan magnetik dan nonmagnteik terhadap nilai resistansi serta rasionya, dan tentang sensor magnetik berbasis GMR. 3. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai dipol magnetik, klasifikasi material magnetik, domain magnetik, histeresis loop, Giant magnetoresistance, exchange interaction, exchange bias, Standard four point probe method (SPFFM), dan nanopartikel magnetik CoFe 2 O Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, skema dan prosedur penelitian, dan teknik analisis data. 5. Bab V memuat pembahasan hasil dari penelitian yang telah dilakukan. 6. Bab VI memaparkan kesimpulan dari hasil eksperimen dan saran untuk penelitian di masa mendatang.