ABSTRACT STUDY OF THE EFFECT OF DIMENSION AND GEOMETRIC TOWARD MAGNETIC DOMAIN WALL PROPAGATION ON PERMALLOY THIN LAYER ( ) By Anisa Indriawati 12/336436/PPA/3796 Research of magnetic domain wall propagation of permalloy thin layer has been investigated. Magnetic domain wall propagation is analyzed by using Object Oriented Micromagnetic Framework (OOMMF) software based on Landau-Lifshitz Gilbert (LLG). The purpose of this research is to give the explanations on the effect of geometry and dimension toward propagations pattern of magnetic domain wall, magnetization s values, shift velocity, and magnetic domain wall anisotropy energy. In this study, permalloy geometry are squares and ellipses. Thickness variation used is 1, 2, and 3 nm, with square size of 100 nm 100 nm. Variation of square size used is at 100 nm 100 nm, 100 nm 120 nm, and 100 nm 140 nm in thickness fixed at 3 nm. Simulations are done by applying external magnetic field in the +x direction. Applied external magnetic field is 0 Oe to 1000 Oe, which consist of 2500 steps. Simulation results show all of variation, no mater it s thickness or size, have all the magnetitation at about 0,99. Size variations are 100 100, 100 120, dan 100 140, then the thickness s are 1 nm, 2 nm, and 3 nm. The velocity of the magnetic domain wall propagation is highest in the thin layer of permalloy as the length, width or axis of 100 nm 100 nm with a thickness of 1 nm, that is equal to 18.755 m / s (square) that occured at a critical field of 36.4 Oe and 18,600 (ellipse) that occurs at a critical field of 38.8 Oe. Anisotropy energy is minimum when it approaches saturation, for all variations. Square geometry requires an external magnetic field greater than the minimum is reached for ellipse. Polarization of ellipse geometry is spread acroos the surface thus it requires small external field to reach saturation and to minimize anisotropy energy. The maximum velocity of permalloy thin layer with square geometri is higher than ellipse, because when condition is multidomain, it has more +x direction of magnetic moments. The effect of dimension on the propagation of magnetic domain wall xvi
xvii related to the number of magnetic moments that have to be aligned. The more magnetic moments number, the higher external magnetic field required. Keywords: Propagation of magnetic domain wall, Tunneling Magneto Resistance (TMR), simulation mikromagnetik, LLG equation xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Lapisan tipis ferromagnetik memiliki peranan yang sangat penting di dalam perkembangan teknologi magnetic recording dan dapat diperkecil hingga ukuran nano. Perkembangan ini tidak terlepas dari ilmu magnetik yaitu spintronik (Shinjo, 2009). Spintronik adalah pemanfaatan konfigurasi arah spin untuk meningkatkan kemapuan devais. Salah satu aplikasi lapisan tipis ferromagnetik yaitu sebagai free layer pada Magnetic Tunnel Junction (MTJ). MTJ terdiri atas lapisan ferromagnetik-isolator-ferromagnetik (FM/I/FM). Efek Tunneling Magnetoresistance (TMR) merupakan karakter dari MTJ. dengan karakter tersebut, MTJ dapat diterapkan pada Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM). Gambar 1.1 adalah struktur MTJ secara skematik. a b Gambar 1.1. (a). Skema Magnetic Tunnel Junction (MTJ). Free layer dan fixed layer merupakan bahan ferromagnetik dan dipisahkan oleh Tunnel dielectric berupa isolator (blogspot.com, 2009), dan (b). Informasi data bit yang diberikan oleh MTJ (yuansa, 2009) Terjadinya efek TMR adalah akibat dari adanya arus tunneling, yaitu berpindahnya elektron dari satu lapisan ferromagnetik ke lapisan ferromagnetik lain dengan melewati lapisan isolator. Jumlah arus yang mengalir melalui isolator inilah yang memberikan informasi pada MRAM, yaitu informasi 0 dan 1 pada data bit. 1
2 Resistansi strukrur MTJ tinggi saat orientasi spin kedua lapisan ferromagnetik antiparalel (berlawanan arah) dan rendah ketika paralel (searah). Orientasi spin pada lapisan free layer dapat dikontrol untuk mengubah nilai resistansi. Penyearahan orientasi spin dapat dilakukan dengan memberikan medan magnet luar pada free layer. Beberapa contoh lapisan tipis yang dimanfaatkan di dalam MTJ antara lain CoFeB/MgO/CoFeB (Wang, dkk., 2 004) dan CoFeB/Ru/CoFeB (Jang, dkk., 2010) dimana CoFeB berperan sebagai free layer. Lapisan tipis yang mendapatkan perhatian besar dalam beberapa dekade terakhir ini ialah permalloy (Ni Fe ). Seperti halnya CoFeB, permalloy merupakan material ferromagnetik sehingga dapat dimanfaatkan sebagai free layer. Permalloy yang memiliki komposisi Ni=81% dan Fe=19% memiliki konstanta anisotropi lebih besar dari nol (Mallinson, dkk., 1992). Keunggulan permalloy adalah sangat mudah termagnetisasi, sehingga untuk mengontrol orientasi spin, tidak membutuhkan medan magnet luar yang besar. Pemberian medan magnet luar pada free layer mengakibatkan terjadinya pergeseran domain wall magnetik pada free layer. Domain wall magnetik adalah pemisah daerah-daerah pada suatu material yang memiliki orientasi spin pada arah tertentu. Pola pergeseran domain wall magnetik diamati dengan simulasi mikromagnetik menggunakan software Object Oriented Micromagnetic Framework (OOMMF). Ada beberapa faktor yang mempengaruhi pola pergeseran domain wall magnetik dan akan dikaji dalam penelitian ini, diantaranya pengaruh geometri, dan dimensi (ukuran dan tebal) lapisan tipis. Selain mempengaruhi pola pergeseran domain wall magnetik, dimensi dan geometri lapisan tipis juga mempengaruhi kecepatan pergeseran domain wall magnetik, energi exchange, energi Zeeman, energi demagnetisasi, serta energi anisotropinya. Dalam penelitian ini akan dikaji pergeseran domain wall magnetik pada dua jenis geometri yaitu bujur sangkar dan elips. Dengan demikian dapat dibandingkan secara langsung seberapa berpengaruh jenis geometri terhadap kecepatan pergeseran
3 domain wall magnetik serta energi-energi di dalam lapisan tipis permalloy ketika diberi medan magnet luar serta apa yang terjadi ketika dimensi ( ukuran dan tebal) divariasi untuk masing-masing geometri. Namun di dalam penelitian ini sistem energi yang akan dianalisis hanya energi anisotropi. Penelitian ini perlu dilakukan, sebab di dalam MTJ memiliki kemungkinan menciptakan free layer dengan geometri dan dimensi yang berbeda sesuai aplikasinya. Variasi geometri dan dimensi free layer mengakibatkan perbedaan perilaku momen dipol magnetik dan mempengaruhi energi anisotropi. Geometri bujur sangkar dan elips dipilih pada penelitian ini karena geometri tersebut mendasari geometri-geometri yang lain. 1.2. Rumusan Masalah Beberapa masalah yang akan dibahas di dalam penelitian ini adalah 1. Bagaimana pola pergeseran domain wall magnetik ketika free layer permalloy dengan geometri dan dimensi tertentu diberi medan magnet luar? 2. Bagaimana pengaruh geometri, dan dimensi terhadap nilai magnetisasi, kecepatan pergeseran domain wall magnetik, serta besar energi anisotropi pada sistem ferromagnetik? 1.3. Batasan Masalah Penelitian ini membahas mengenai pergeseran domain wall pada lapisan tipis permalloy ketika material tersebut diberi medan magnet luar dengan arah sumbu +x. Dalam hal ini, peran lapisan tipis permalloy adalah sebagai free layer pada MTJ. Variasi yang dilakukan di dalam simulasi ini ialah dimensi dan geometri (bujur sangkar dan elips). Ketebalan lapisan tipis permalloy yaitu 1 nm, 2 nm, dan 3 nm. Ukuran lapisan tipis permalloy dengan geometri bujur sangkar adalah 100 nm 100 nm, 100 nm 120 nm, dan 100 nm 140 nm. Ukuran ke dua sumbu free layer permalloy pada geometri elips adalah 100 nm 100 nm, 100 nm 120 nm, dan 100
4 nm 140 nm. Pokok bahasan yang dikaji dalam penelitian ini adalah pola, kecepatan pergeseran domain wall, serta energi anisotropi. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah 1. Membuat visualisasi pola pergeseran domain wall permalloy untuk masingmasing geometri, serta dimensi ( ketebalan dan ukuran) selama proses magnetisasi lapisan tipis permalloy. 2. Melakukan plot grafik kecepatan pergeseran domain wall magnetik, dan energi anisotropi untuk setiap variasi dimensi dan geometri lapisan tipis permalloy. 3. Menganalisis pengaruh ketebalan, ukuran (dimensi) dan geometri terhadap kecepatan pergeseran domain wall magnetik, dan energi anisotropi pada lapisan tipis permalloy. 1.5. Manfaat Penelitian Dengan menganalisis pengaruh dimensi dan geometri lapisan tipis permalloy terhadap pola pergeseran domain wall magnetik, nilai magnetisasi, kecepatan pergeseran domain wall magnetik, dan energi anisotropi, hasil simulasi ini diharapkan dapat dijadikan referensi untuk aplikasi permalloy dalam bidang spintronik, terutama diaplikasikan sebagai free layer pada MTJ. 1.6. Sistematika Penulisan Rancangan penelitian ini terdiri atas BAB I, yang berisi tentang latar belakang dilakukannya penelitian, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II membahas secara singkat tentang penelitian-penelitian terdahulu yang terkait dengan penelitian yang akan dilaksanakan. Selanjutnya, BAB III menjelaskan tentang teori yang berhubungan dengan penelitian ini, yaitu teori
5 TMR, proses magnetisasi, fenomena pergeseran domain wall, energi-energi dalam sistem ferromagnetik, serta dinamika spin dan persamaan Landau-Lifshitzt-Gilbert (LLG). BAB IV menjelaskan tentang prosedur penelitian yang akan dilaksanakan secara skematik serta jadwal pelaksanaan, BAB V terdiri atas hasil dan pembahasan. Terakhir, BAB VI berisi kesimpulan dan saran.