Magnetoresistansi Divais Spintronika TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co

dokumen-dokumen yang mirip
Magnetoresistansi Divais Spintronika TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co

KARAKTERISTIK MORFOLOGI DAN OPTIK FILM TIPIS TiO 2 :Co YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE MOCVD DI ATAS SUBSTRAT SILIKON

Anisotropi Magnetik Film Tipis TiO 2 :Co yang Ditumbuhkan dengan Teknik MOCVD

Studi Pengaruh Konsentrasi Co pada Struktur Kristal dan Respon Photoluminescence Film Tipis Ti 1-x Co x O 2 yang Ditumbuhkan dengan Teknik MOCVD

Diterima Juni 2004, disetujui untuk dipublikasikan September 2004

PENGARUH PENGOTOR Co PADA STRUKTUR DAN KONDUKTIVITAS FILM TIPIS TiO 2

Studi Pengaruh Temperatur Penumbuhan terhadap Struktur Kristal dan Morfologi Film Tipis TiO 2 :Eu yang Ditumbuhkan dengan Metode MOCVD

PROC. ITB Sains & Tek. Vol. 38 A, No. 2, 2006,

BAB I PENDAHULUAN. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi sangat mempengaruhi peradaban

Pengaruh Temperatur Penumbuhan terhadap Struktur Kristal dan Morfologi Film Tipis TiO 2 :Eu yang Ditumbuhkan dengan Metode MOCVD

Efek Doping Co Pada Konstanta Kisi Film Tipis polikristal TiO 2 yang Dideposisikan dengan Teknik MOCVD

BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang

ABSTRAK DAN EXECUTIVE SUMMARY PROGRAM PENELITIAN HIBAH BERSAING

RINGKASAN HIBAH BERSAING

BAB I PENDAHULUAN. Perkembangan teknologi yang semakin maju dalam beberapa dekade ini

Oleh Budi Mulyanti NIM : Tim Pembimbing Dr. Sukirno Prof. Dr. M. Barmawi Dr. Pepen Arifin Dr. Maman Budiman

BAB I PENDAHULUAN. Pada saat ini dunia elektronika mengalami kemajuan yang sangat pesat, hal ini

4 Hasil dan Pembahasan

ARTIKEL ILMIAH HIBAH BERSAING

HASIL DAN PEMBAHASAN. Struktur Karbon Hasil Karbonisasi Hidrotermal (HTC)

BAB IV PERHITUNGAN & ANALSIS HASIL KARAKTERISASI XRD, EDS DAN PENGUKURAN I-V MSM

BAB III EKSPERIMEN & KARAKTERISASI

BAB III METODE PENELITIAN. Metode penelitian yang dilakukan adalah metode eksperimen yang dilakukan di

STUDI EFEK FOTOVOLTAIK DAN PIROELEKTRIK Ba 0,75 Sr 0,25 TIO 3 (BST) YANG DIDADAH GALIUM (BGST) DI ATAS SUBSTRAT SI (100) TIPE-P ERDIANSYAH PRATAMA

BAB I PENDAHULUAN. Indonesia merupakan negara berkembang yang berada dikawasan Asia

Distribusi Celah Pita Energi Titania Kotor

BAB I 1 PENDAHULUAN. kemampuan mengubah bentuk radiasi cahaya menjadi sinyal listrik. Radiasi yang

BAB I PENDAHULUAN. disamping memberikan dampak positif yang dapat. dirasakan dalam melakukan aktifitas sehari hari, juga dapat memberikan beberapa

I. PENDAHULUAN. kimia yang dibantu oleh cahaya dan katalis. Beberapa langkah-langkah fotokatalis

KARAKTERISASI TiO 2 (CuO) YANG DIBUAT DENGAN METODA KEADAAN PADAT (SOLID STATE REACTION) SEBAGAI SENSOR CO 2

BAB I PENDAHULUAN. Pesatnya perkembangan teknologi material semikonduktor keramik,

Struktur kristal dan Morfologi film tipis GaN yang ditumbuhkan dengan metoda Hot-Wire Pulsed Laser Deposition

LAPORAN EKSPERIMEN FISIKA 2 FOTOKONDUKTIVITAS. Zudah Sima atul Kubro G DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PEMBUATAN KONDUKTOR TRANSPARAN THIN FILM SnO2 DENGAN MENGGUNAKAN TEKNIK SPRAY PYROLYSIS

Uji Kekerasan Material dengan Metode Rockwell

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Karakterisasi XRD. Pengukuran

STRUKTUR DAN KOMPOSISI KIMIA LAPIS TIPIS BAHAN SEMIKONDUKTOR Sn(Se 0,2 S 0.8 ) HASIL PREPARASI TEKNIK VAKUM EVAPORASI UNTUK APLIKASI SEL SURYA

Berkala Fisika ISSN : Vol 4, No. 2, April 2001, hal 40-44

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

X-Ray Fluorescence Spectrometer (XRF)

Penumbuhan Lapisan Tipis Material Sensor Giant Magnetoresistance Berstruktur Sandwich dengan Metode Sputtering

Bab IV Hasil dan Pembahasan

III. PROSEDUR PERCOBAAN. XRD dilakukan di Laboratorium Pusat Survey Geologi, Bandung dan

DASAR PENGUKURAN LISTRIK

BAB III METODE PENELITIAN. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Juli 2005 sampai Juni 2006, bertempat di

BAB III METODOLOGI PENELITIAN. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metoda eksperimen.

Karakterisasi Sensor TiO 2 Didoping ZnO untuk Mendeteksi Gas Oksigen

Molekul, Vol. 5, No. 1, Mei 2010 : KARAKTERISTIK FILM TIPIS TiO 2 DOPING NIOBIUM

Pembuatan Sel Surya Film Tipis dengan DC Magnetron Sputtering

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

F- 1. PENGARUH PENYISIPAN LOGAM Fe PADA LAPISAN TiO 2 TERHADAP PERFORMANSI SEL SURYA BERBASIS TITANIA

T 19 Kerapatan Keadaan pada Struktur Nano Berbentuk Sumur Nano, Kawat Nano dan Titik Nano

Bab IV Hasil dan Pembahasan

BAB I PENDAHULUAN 1.1 LatarBelakang

Deskripsi METODE UNTUK PENUMBUHAN MATERIAL CARBON NANOTUBES (CNT)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN. Lokasi penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Material, Jurusan

BAB I PENDAHULUAN. modern pada fotokonduktor ultraviolet (UV) membutuhkan material

STRUKTUR KRISTAL DAN MORFOLOGI TITANIUM DIOKSIDA (TiO 2 ) POWDER SEBAGAI MATERIAL FOTOKATALIS

Bab III Metodologi Penelitian

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

STUDI PENGARUH SUHU SUBSTRAT TERHADAP SIFAT LISTRIK DAN OPTIK BAHAN SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS SnSe HASIL PREPARASI TEKNIK VAKUM EVAPORASI

Gambar 2.1. momen magnet yang berhubungan dengan (a) orbit elektron (b) perputaran elektron terhadap sumbunya [1]

PENUMBUHAN NANOPARTIKEL TITANIUM DIOKSIDA PADA SUBSTRAT FTO DENGAN METODE ELEKTRODEPOSISI. Saidatun Khofifah *, Iwantono, Awitdrus

Eksperimen HASIL DAN PEMBAHASAN Pengambilan data

Jurnal ILMU DASAR, Vol. 9 No. 1 Januari 2008 :

Sintesis Nanopartikel ZnO dengan Metode Kopresipitasi

BAB III METODE PENELITIAN. Pelaksanaan penelitian ini pada dasarnya meliputi tiga tahapan proses

Bab III Metodologi Penelitian

STRUKTUR CRISTAL SILIKON

KARAKTERISASI SENSOR GAS LIQUEFIED PETROLEUM GAS (LPG) DARI BAHAN SEMIKONDUKTOR HETEROKONTAK CUO/CUO(TIO2)

BAB I PENDAHULUAN. Spektrum elektromagnetik yang mampu dideteksi oleh mata manusia

PENGARUH VARIASI MILLING TIME dan TEMPERATUR KALSINASI pada MEKANISME DOPING 5%wt AL NANOMATERIAL TiO 2 HASIL PROSES MECHANICAL MILLING

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

PENGARUH FRAKSI MOL Mn/Ga LARUTAN TERHADAP KOMPOSISI DAN MIKRO STRUKTUR LAPISAN TIPIS GaN: Mn YANG DIDEPOSISI METODE SOL-GEL

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang

HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Partikel Magnetik Terlapis Polilaktat (PLA)

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah

PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM FERRUM TITANAT (BFT) DENGAN METODE SOL GEL

HASIL DAN PEMBAHASAN

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah

BAB I PENDAHULUAN. energi cahaya (foton) menjadi energi listrik tanpa proses yang menyebabkan

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2014 PEMBUATAN BILAYER ANODE - ELEKTROLIT CSZ DENGAN METODE ELECTROPHORETIC DEPOSITION

Homogenitas Ketebalan, Konduktivitas Listrik dan Band Gap Lapisan Tipis a-si:h tipe-p dan tipe-p Doping Delta yang dideposisi dengan Sistem PECVD

KARAKTERISASI SEMIKONDUKTOR TIO 2 (ZnO) SEBAGAI SENSOR LIQUEFIED PETROLEUM GAS (LPG)

SINTESIS LAPISAN TIPIS SEMIKONDUKTOR DENGAN BAHAN DASAR TEMBAGA (Cu) MENGGUNAKAN CHEMICAL BATH DEPOSITION

PREPARASI DAN KARAKTERISASI PADUAN SEMIKONDUKTOR Sn(Se 0,6 Te 0,4 ) DENGAN METODE BRIDGMAN MELALUI VARIASI WAKTU PEMANASAN

STUDI EFEK FOTOVOLTAIK BAHAN Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 YANG DIDADAH GALIUM (BSGT) DI ATAS SUBSTRAT Si (100) TIPE-N. Abraham Marwan

MAKALAH PITA ENERGI. Di susun oleh, Pradita Ajeng Wiguna ( ) Rombel 1. Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika dan Teknologi Semikonduktor

Rekayasa Bahan untuk Meningkatkan Daya Serap Terhadap Gelombang Elektromagnetik dengan Matode Deposisi Menggunakan Lucutan Korona

Bab IV. Hasil dan Pembahasan

Pengaruh Temperatur dan Waktu Putar Terhadap Sifat Optik Lapisan Tipis ZnO yang Dibuat dengan Metode Sol-Gel Spin Coating

Ringkasan Tugas Akhir. : Pengaruh Substitusi Bi Terhadap Spektrum Electron Spin Resonance

Modul - 4 SEMIKONDUKTOR

TEMA: ENERGI TERBARUKAN. FABRIKASI SEL SURYA BERBASIS SILIKON DENGAN LAPISAN ANTI REFLEKSI ZnO MENGGUNAKAN TEKNOLOGI THICK FILM

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

STUDI TENTANG PENGARUH JARAK (SPACER) TERHADAP KUALITAS KRISTAL LAPISAN TIPIS Sn ) HASIL PREPARASI TEKNIK EVAPORASI VAKUM

BAB I PENDAHULUAN. I.1 Latar Belakang Kebutuhan akan energi semakin berkembang seiring dengan

Transkripsi:

Magnetoresistansi Divais Spintronika TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co Edy Supriyanto, Horasdia Saragih, Maman Budiman, Pepen Arifin, Sukirno dan M. Barmawi Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung e-mail: supriyanto_e2003@yahoo.com Diterima Maret 2005 disetujui untuk dipublikasikan Februari 2007 Abstrak Film tipis TiO 2 :Co telah berhasil ditumbuhkan di atas subtrat Si dengan teknik Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD). Film tipis TiO 2 :Co bersifat feromagnetik pada temperatur ruang, dan memiliki respon magnetik lembut (soft magnetic). Penggunaannya sebagai material injektor pada divais spintronika berstruktur TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co, diinvestigasi. Karakteristik arus-tegangannya, tanpa dan dengan medan magnetik luar, dianalisa. Teramati adanya pengaruh magnetik terhadap resistansi divais yang disebut sebagai magnetoresistansi. Magetoresistansi diperoleh bergantung pada besarnya tegangan bias yang diberikan pada divais. Penambahan tegangan ke suatu nilai tertentu dapat menghilangkan efek magnetoresistansi. Kata kunci: Magnetoresistansi, spintronika, semikonduktor feromagnetik, TiO 2 :Co. Abstract TiO 2 :Co thin films have been deposited on Si substrates by Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) technique. The thin films are ferromagnetic at room temperature and have soft magnetic properties. The spintronics devices based on TiO 2 :Co with TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co structure were fabricated. Its current-voltage characteristics were investigated. It is found that the resistance of devices was influenced by external magnetic field. Resistance of devices was increased when the external magnetic field applied on devices (this resistance-magnetic dependence is called as magnetoresistance). On the other hand, the magnetoresistance of devices is depending on applied voltage. Magnetoresistance was decrease with increasing of applied voltage. Keywords: Magnetoresistance, spintronics, ferromagnetic semiconductors, TiO 2 :Co. 1. Pendahuluan Pengembangan divais spin elektronika (spintronika) akhir-akhir ini mendapat banyak perhatian. Usaha untuk membuat divais yang hemat energi dan memiliki responsivitas yang tinggi adalah tujuan yang ingin dicapai. Penggunaan bahan semikonduktor feromagnetik merupakan suatu solusi dan pemilihan teknik penumbuhannya dalam bentuk film tipis menjadi langkah penting yang harus dilakukan untuk menghasilkan divais yang berkualitas baik. Proses kerja divais spintronika adalah memanfaatkan sifat magnetoresistansi yang disebabkan oleh polarisasi spin dari suatu elektron atau lubang (hole). Beberapa hal yang terlibat di dalamnya, adalah (Schmidt, 2005): (1) proses injeksi spin ke suatu bahan semikonduktor, (2) proses manipulasi dan atau penyimpanan spin, dan (3) proses deteksi spin setelah keluar dari bahan semikonduktor. Berbagai kajian teori 17 dan eksperimen dilakukan terhadap salah satu atau lebih dari ketiga hal tersebut. Penggunaan bahan logam feromagnetik sebagai injektor pada divais spintronika semikonduktor menghasilkan tingkat efesiensi yang sangat rendah (Schmidt, dkk., 2000). Hal ini disebabkan karena perbedaan nilai konduktivitas yang sangat besar antara logam dengan semikonduktor, sehingga menurunkan tingkat polarisasi spin muatan pembawa pada logam feromagnetik. Bahan semikonduktor feromagnetik diusulkan untuk mengatasi permasalahan tersebut, dan struktur hetero (Zn,Mn,Be)Se/(Zn,Be)Se/ (Zn,Mn,Be)Se dibuat untuk pertama kali (Schmidt, dkk., 2001). Resistansi antar-muka (interface) yang bergantung pada medan magnetik luar, diinvestigasi. Didapatkan suatu peningkatan polarisasi spin muatan pembawa pada bahan (Zn,Mn,Be)Se yang mencapai hampir 90% (Awschalom, dkk., 2002). Bahan semikonduktor (Zn,Mn,Be)Se bersifat feromagnetik di bawah temperatur 30K (Schmidt, dkk., 2001); (Schmidt, dkk., 2004). Temperatur operasi ini

Intensitas (a.u.) 18 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2007, VOL. 12 NO. 1 sangat jauh di bawah temperatur ruang sehingga belum memenuhi kebutuhan praktis. Oleh karena itu, pencarian terhadap material baru terus dilakukan. Pada tahun 2001, Matsumoto, dkk. menemukan bahwa semikondutor TiO 2 yang didadah dengan elemen Co, TiO 2 :Co, menunjukkan sifat feromagnetik di atas temperatur ruang. Penemuan ini memposisikan material TiO 2 :Co menjadi kandidat yang potensial untuk diaplikasikan. Penggunaan bahan TiO 2 :Co dalam pembuatan divais spintronika menjadi suatu langkah yang harus dilakukan selanjutnya. Film tipis TiO 2 :Co telah ditumbuhkan dengan menggunakan teknik Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD). Respon feromagnetiknya telah diamati pada temperatur ruang. Parameter optimum penumbuhan telah dilaporkan (Saragih, dkk., 2005); (Saragih, dkk., 2004(1)); (Saragih, dkk., 2004(2)). Dalam makalah ini, sebagai tindak lanjutnya, pengamatan awal magnetoresistansi sebagai efek injeksi spin dari divais yang dibangun dari film tipis TiO 2 :Co dengan struktur TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co akan diuraikan. 2. Metode dan Percobaan Film tipis TiO 2 :Co ditumbuhkan di atas subtrat Si dengan menggunakan prekursor metalorganik titanium (IV) isopropoxide [Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 ] 99,99% yang berbentuk cair pada temperatur ruang dengan titik leleh 20 o C (Sigma Aldrich Chemical Co., Inc.) dan tris (2,2,6,6-tetramethyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III), 99%, Co(TMHD) 3 (Strem Chemical, Inc.) serta gas oksigen sebagai sumber O. Co(TMHD) 3 berbentuk serbuk. Bahan ini dilarutkan ke dalam pelarut tetrahydrofuran (THF, C 4 H 8 O) untuk memperoleh prekursor dalam bentuk cair dengan konsentrasi 0,1 mol per liter. Penumbuhan film dilakukan dengan teknik MOCVD. Film tipis TiO 2 :Co digunakan untuk membuat divais dengan struktur TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co. TiO 2 :Co, yang adalah semikonduktor feromagnetik, berperan sebagai injektor dan detektor spin. Si, yang adalah semikonduktor non-magnetik, berperan sebagai jalur konduksi (conduction channel), dimana spin akan dilintaskan. Logam Ag ditumbuhkan dengan teknik evaporasi di atas film tipis TiO 2 :Co dan digunakan sebagai kontak Ohmik. Ketebalan logam Ag sekitar 1 m dengan luas 300x300 m 2. Jarak antara injektor dan detektor TiO 2 :Co adalah 500 m yang lebih besar dari jarak pembalikan spin (spin flip) pada semikonduktor Si yang diperkirakan sekitar beberapa ratus nanometer (Awschalom, dkk., 2002). Prosentase konsentrasi atom penyusun film diukur dengan energy dispersive spectroscope (EDS) (Jeol J 6360LA). Struktur kristalnya diinvestigasi dengan X-ray diffractometer (XRD) dengan menggunakan radiasi Cu K α (λ=1,54056å) (Philips PW3710). Ketebalan dan morfologi butiran penyusun film dianalisa dari hasil potret scanning electron microscope (SEM) (Jeol J 6360LA). Sifat magnetik film diuji dengan suatu sistem vibrating sample magnetometer (V) (Oxford). Dan karakteristik transpot listrik film dan divais ditentukan dari hasil pengukuran Hall dengan metode empat titik van der Pauw. 3. Hasil dan Diskusi Film tipis TiO 2 :Co yang ditumbuhkan, selanjutnya dikarakterisasi. Pola XRD dan potret SEM film tipis ditunjukkan dalam Gambar 1. Dengan melakukan identifikasi terhadap puncak-puncak difraksi sinar-x yang dihasilkan, diperoleh bahwa film tipis tumbuh dengan membentuk bidang kristal rutil (002) (R(002)). Butiran-butiran film berbentuk kolumnar dan tegak lurus terhadap permukaan subtrat Si(100). Butiran dan batas-batasnya terlihat sangat jelas, yang secara tidak langsung menyatakan bahwa hubungan antar butir sangat kuat. Atom-atom yang terdapat pada batas antar butir telah dengan baik memposisikan diri sesuai dengan susunan atom butiran induknya. Di samping itu, butiran memiliki bentuk yang relatif seragam. Bentuk kolumnar butir memanjang dari permukaan subtrat sampai ke permukaan film. Hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi suatu proses gangguan, seperti hadirnya fasefase pengotor, pada saat penumbuhan. Film tumbuh dengan suatu kerapatan butir yang sangat tinggi sehingga permukaan film relatif sangat halus tanpa adanya penumbuhan kluster-kluster tambahan di permukaan film. Analisis terhadap energi dispersi sinar-x yang diemisi oleh film tipis TiO 2 :Co dilakukan dengan mengacu pada pola spektrum EDS. Atom Co yang terdeposisi di dalam film mengemisi sinar-x pada tingkat energi 0,776 kev. Energi radiasi ini dihasilkan oleh peristiwa transisi elektron dari kulit L ke kulit M dari atom tersebut. Dari hasil pencacahan sinar-x yang diemisi oleh atom-atom Co, diperoleh bahwa prosentasi Co yang terdadah ke dalam material induk TiO 2 berada pada kisaran 1,83%. (A) 2 teta (derajat)

Supriyanto, dkk., Magnetoresistansi Divais Spintronika TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co 19 (B) Gambar 1. Pola XRD (a) dan Potret SEM penampang lintang (b) film tipis TiO 2 :Co yang ditumbuhkan pada temperatur 450 o C. Pendadahan atom Co ke dalam bahan semikonduktor TiO 2 menghasilkan sifat feromagnetik pada temperatur ruang. Kurva histeresisnya ditunjukkan dalam Gambar 2. Sifat feromagnetik teramati, dengan suatu nilai magnetik koersif (H c ) dan magnetisasi saturasi (M s ) masing-masing 130 Oe dan 2,1 emu/cm 3. Sifat anisotropi magnetik film, sebagaimana ditunjukkan oleh nilai H c, tergolong relatif kecil (<10000 Oe) sehingga film tipis TiO 2 :Co yang dihasilkan dikategorikan sebagai magnetik lembut (soft magnetic), yaitu suatu respon magnetik yang disyaratkan dalam pembuatan divais spintronika semikonduktor (Awschalom, dkk., 2002). Gambar 2. Kurva histeresis magnetisasi film tipis TiO 2 :Co dengan kandungan Co = 1,83% yang diukur pada temperatur 300K. Gambar 3. Kurva arus-tegangan kontak Ohmik logam Ag terhadap film tipis TiO 2 :Co. (Sisipan: skema penampang lintang divais yang diukur). Film tipis TiO 2 :Co dengan karakteristik magnetik dan kristal sebagaimana diterangkan di atas, diterapkan guna membuat divais spintronika. Kontak logam Ag digunakan dan sifat Ohmiknya diuji. Karakteristik arus-tegangannya diukur dan kurvanya ditunjukkan dalam Gambar 3. Teramati suatu hubungan yang linier antara arus dan tegangan, yang artinya bahwa Ag bersifat Ohmik terhadap TiO 2 :Co. Divais spintronika berstruktur TiO 2 :Co/Si/ TiO 2 :Co dengan kontak Ohmik Ag dibentuk. Karakteristik arus-tegangannya diukur pada temperatur ruang tanpa memberikan medan magnetik luar dan dengan medan magnetik luar sebesar 3500 Oe. Hasil kurvanya ditunjukkan dalam Gambar 4 dan skema penampang lintang divais ditunjukkan sebagai sisipan. Karakteristik arus-tegangan divais diukur pada dua rejim, yaitu: pada rejim linier dan pada rejim non-linier. Divais, dengan struktur seperti diterangkan di atas, dimagnetisasi untuk mempolarisasi spin muatan pembawa di dalam semikonduktor feromagnetiknya. Selanjutnya, spin yang terpolarisasi tersebut diinjeksi ke dalam material semikonduktor non-magnetik Si. Pada bahan semikonduktor non-magnetik, elektronelektron yang memiliki spin-up dan spin-down masingmasing berkontribusi setengah terhadap konduktivitas bahan (Awschalom, dkk., 2002). Muatan pembawa dengan spin yang berbeda dianggap memiliki jalur konduksi yang berbeda. Ketika muatan pembawa dengan spin terpolarisasi diinjeksi ke dalam material semikonduktor non-magnetik, kedua jalur spin pada semikonduktor non-magnetik dilintasi oleh jumlah muatan pembawa yang berbeda. Karena setiap jalur memiliki konduktivitas yang sama, maka penginjeksian muatan pembawa dengan spin yang dipolarisasi akan

20 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2007, VOL. 12 NO. 1 menghasilkan peningkatan nilai resistansi divais. Peningkatan resistansi ini akan menjadi dua kali lebih besar dari resistansi normal apabila polarisasi spin muatan pembawa pada material semikonduktor magnetik mencapai 100% dan dengan jarak lintas konduksi lebih kecil dari panjang pembalikan spin (spin flip) di dalam material, sehingga hanya salah satu jalur saja yang digunakan (Schmidt, dkk., 2004). Gambar 4. Kurva arus-tegangan divais TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co yang diukur pada temperatur ruang. (Sisipan: skema penampang lintang divais yang digunakan dalam percobaan). Perubahan resistansi ini, di dalam kasus dimana jarak lintas konduksi spin lebih besar dari panjang pembalikan spin (spin flip), dinyatakan oleh (Awschalom, dkk., 2002): R R 2 x o xo 1 e 2 2 xo e o x 1 2 (1) dimana,,, adalah panjang pembalikan spin (spin flip) dan konduktivitas masingmasing pada semikonduktor magnetik () dan semikonduktor non-magnetik (). x o dan masingmasing adalah jarak antara kontak dan derajat pelarisasi spin pembawa muatan pada, yaitu: prosentasi muatan pembawa yang memiliki orientasi spin pada arah tertentu, misalnya: up atau down di dalam semikonduktor magnetik. Dengan kata lain, persamaan (1) menggambarkan efek magnetoresistansi akibat akumulasi spin pada salah satu jalur konduksi di dalam suatu semikonduktor non-magnetik. Akumulasi ini terjadi pada jarak sama dengan dan lebih kecil dari panjang pembalikan spin (spin-flip). Dari hasil pengukuran karakteristik arustegangan divais berstruktur TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co pada temperatur ruang, sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 4, teramati adanya fenomena magnetoresistansi sebagai efek injeksi spin terpolarisasi. Lapisan TiO 2 :Co berperan sebagai dan Si sebagai. Divais dimagnetisasi pada kuat medan H = 0 Oe dan H = 3500 Oe sejajar bidang subtrat Si. Kuat medan H sebesar 3500 Oe digunakan untuk menjamin saturasi magnetisasi pada bahan TiO 2 :Co (lihat Gambar 2). Muatan pembawa yang spinnya telah terpolarisasi tersebut diinjeksi ke dalam semikonduktor non-magnetik Si dengan mengalirkan arus listrik melalui divais. Akumulasi muatan terjadi pada salah satu jalur konduksi. Pada saat divais dimagnetisasi, derajat polarisasi spin muatan pembawa () pada lapisan injektor TiO 2 :Co akan mencapai nilai maksimumnya yang selanjutnya menentukan nilai R melalui hubungan seperti ditunjukkan pada persamaan (1). Untuk melihat lebih jelas fenomena efek injeksi spin pada salah satu jalur konduksi ini, kurva R = R (H=3500) -R (H=0) diplot terhadap tegangan bias (V bias ) pada rezim linier dan non-liniernya seperti ditunjukkan dalam Gambar 5. Ketika tegangan bias diperbesar pada divais, penurunan magnetoresistansi secara tajam, teramati. Penurunan magnetoresistansi ke ½ kali nilai semula, terjadi pada nilai tegangan sekitar 0,3 Volt. Pada tegangan yang lebih tinggi, magnetoresistansi divais tidak selamanya bergantung pada kuat medan magnetik luar yang diberikan. Hal ini ditunjukkan oleh kenyataan bahwa tidak teramati adanya perubahan resistansi pada kasus H = 0 Oe dan H = 3500 Oe ketika tegangan bias yang diberikan melebihi 1 Volt. Fakta ini menunjukkan bahwa terjadi suatu pereduksian terhadap derajat polarisasi spin () muatan pembawa pada injektor TiO 2 :Co yang diinjeksi ke semikonduktor Si. Derajat polarisasi spin tereduksi sampai ke 0% ketika pada divais diberi tegangan bias pada dan di atas 1,1 Volt (lihat Gambar 5). Penurunan magnetoresistansi yang tajam tersebut dapat difahami dengan mengkaji potensial elektrokimia () muatan pembawa yang memiliki spinup dan spin-down pada antar-muka (interface) persambungan - (Schmidt, dkk.,2001) (lihat Gambar 6).

Supriyanto, dkk., Magnetoresistansi Divais Spintronika TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co 21 Gambar 5. Kurva perubahan resistansi R divais TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co yang diplot sebagai fungsi tegangan bias (V bias ). (Perhatikan, bahwa dibutuhkan tegangan sama dengan 1,1 Volt atau lebih untuk mengatasi perbedaan resistansi yang terjadi akibat akumulasi spin ke dalam salah satu jalur konduksi pada semikonduktor Si, sebagaimana diterangkan pada teks). TiO2:Co Si (a) 0 (b) TiO2:Co Gambar 6. (a) Idealisasi struktur satu dimensi TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co; (b) Model potensial elektrokimia muatan pembawa spin-up dan spin-down pada antarmuka (interface) persambungan /, E adalah energi dan adalah potensial elektrokimia. Ketika arus dialirkan dari material yang telah dimagnetisasi ke dalam material (ambil kasus dimana konsentrasi muatan pembawa yang memiliki spin-down lebih besar dari pada yang memiliki spin-up sehingga 0 < < 1), potensial elektrokimia muatan pembawa akan terpisah di antarmuka / berdasarkan spinnya. Pada saat awal arus mulai mengalir, dimana berada pada nilai maksimumnya, menghasilkan R maksimum (lihat Gambar 5). Fakta ini sesuai dengan persamaan (1). Pemisahan potensial elektrokimia muatan pembawa (spin-up dan spin-down ) pada antarmuka menjadi gaya penggerak (driving force) arus spin ke dalam material. Injeksi spin ke menyebabkan penurunan tegangan secara drastis sebesar V pada antar-muka sebagai konsekuensi pengkonversian spin ke dalam material yang tidak bersifat feromagnetik. Penurunan tegangan ini terjadi sebagai akibat adanya perbedaan antara potensial elektrokimia rata-rata pada dan potensial elektrokimia rata-rata pada. Besar beda energi oleh perbedaan potensial elektrokimia rata-rata ini adalah ev (0) (0), yang selanjutnya menghasilkan resistansi R V I, dengan e dan I masing-masing adalah muatan elektron dan arus. Konsekuensi pengkonversian ini, sebagai akibat mengalirnya arus, menurunkan nilai pada. Semakin besar arus dialirkan, semakin kecil nilai. Dengan demikian, untuk mendapatkan nilai R yang besar injektor harus memiliki nilai yang besar. Untuk memenuhi syarat kekekalan muatan pada antar-muka /, V harus dikompensasi melalui ikatan pita energi yang sangat kuat, khususnya pada saat arus yang dialirkan diperbesar. Ketika ikatan pita energi menjadi sangat kuat oleh karena aliran arus yang besar, menyebabkan R menjadi berkurang. 4. Kesimpulan Film tipis TiO 2 yang didadah dengan elemen Co, TiO 2 :Co, telah ditumbuhkan di atas subtrat Si(100) dengan teknik MOCVD. Film tipis yang dihasilkan bersifat feromagnetik pada temperatur ruang. Berdasarkan hasil respon magnetiknya, film tipis TiO 2 :Co memiliki sifat magnetik lembut (soft magnetic) sebagaimana disyaratkan dalam pembuatan divais spintronika semikonduktor. Keberhasilan menumbuhkan film tipis TiO 2 :Co, dilanjutkan kepada penerapannya untuk mengkonstruksi divais spintronika sederhana berstruktur TiO 2 :Co/Si/TiO 2 :Co. Dari hasil pengukuran karakteristik arus-tegangan teramati adanya efek injeksi spin terpolarisasi (fenomena magnetoresistansi). Resistansi divais bergantung pada medan magnetik luar. Resistansi divais lebih besar pada saat medan magnetik bekerja pada injektor. Hal ini disebabkan oleh peristiwa akumulasi muatan pembawa yang didasarkan pada spinnya ke dalam salah satu jalur konduksi yang terdapat pada semikonduktor non-

22 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2007, VOL. 12 NO. 1 magnetik. Kebergantungan resistansi terhadap medan magnetik luar terjadi pada nilai tegangan bias di bawah 1 Volt. Penambahan tegangan bias, yang selanjutnya menambah besarnya arus yang mengalir pada divais, menyebabkan ikatan pita energi pada antar-muka persambungan / semakin kuat, sehingga mengurangi nilai resistansi. Sifat magnetoresistansi divais menjadi hilang (R=0) pada saat tegangan bias melebihi 1,1 Volt. Dari data-data sebagaimana diperoleh pada penelitian ini, telah berhasil dibuat suatu divais spintronika sederhana yang berbasis pada material TiO 2 :Co yang dapat beroperasi pada temperatur ruang. Adanya efek injeksi spin yang terpolarisasi telah teramati. Hal ini memberi harapan terhadap pengwujudan pembuatan divais spintronika ke arah aplikasi praktis. Daftar Pustaka Awschalom, D.D., Loss, D., dan Samarth, N., 2002, Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Germany. Matsumoto, Y., Murakami, M., Shono, T., Hasegawa, T., Fukumura, T., Kawasaki, M., Ahmet, P., Chikyow, T., Koshihara, S., dan Koinuma, H., 2001, Room-Temperature Ferromagnetism in Transparent Transition Metal doped Titanium Dioxide, Science 291, 854. Schmidt, G., 2005, Concepts for Spin Injection into Semiconductors: A review, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, R107. Schmidt, G., Ferrand, D., Molenkamp, L.W., Filip, A.T., dan van Wees, B.J., 2000, Fundamental Obstacle for Electrical Spin Injection from a Ferromagnetic Metal into a Diffusive Semiconductor, Phys. Rev. B 62, R4790. Schmidt, G., Richter, G., Grabs, P., Ferrand, dan Molenkamp, L.W., 2001, Large Magnetoresistance Effect Due to Spin Injection into a Nonmagnetic Semiconductor, Phys. Rev. Lett. 87, 227203-1. Schmidt, G., Gould, C., Grabs, P., Lunde, A.M., Richter, G., Slobodskyy, A., dan Molenkamp, L.W., 2004, Spin Injection in The Non-linier Regime: Band Bending Effects, Phys. Rev. Lett. 92, 226602-1. Saragih, H., Arifin, P., dan Barmawi, 2005, M., Efek Magnetisasi Spontan dan Karakteristik Transport Listrik Film Tipis TiO 2 :Co yang Ditumbuhkan dengan Metode MOCVD, Jurnal Matematika dan Sains, 10:1, 21. Saragih, H., Arifin, P., dan Barmawi, M., 2004 (1), Pengaruh Temperatur Penumbuhan Terhadap Karakteristik Magnetik Film Tipis TiO 2 :Co yang Ditumbuhkan dengan Metode Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Jurnal Matematika dan Sains, 9:4, 301. Saragih, H., Arifin, P., dan Barmawi, M., 2004 (2), Penumbuhan Film Tipis Ti 1-x Co x O 2 dengan Metode MOCVD, Jurnal Matematika dan Sains, 9:3, 263.