View
215
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-5
Ketergantungan Mangneto-Impedansi Multilayer [Nife/Cu] dengan
Jumlah Perulangan Lapisan Magnetik dan Ketebalan Spacer Cu
B. ANGGIT WICAKSONO*), ISMAIL, AHMAD ASRORI NAHRUN, NURYANI, BUDI
PURNAMA**) Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret.
Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Surakarta
E-MAIL : *WICAKGITYA@GMAIL.COM, **BPURNAMA@MIPA.UNS.AC.ID
*)PENULIS KORESPONDEN
TEL: +62-271-669017; FAX: +62-271-669017
ABSTRAK: Magneto-impedansi; yaitu perubahan nilai impedansi akibat medan pengimbas luar
terpasang Z (H) pada multilayer [Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi secara eksperimental
bergantung dengan strukturnya. Variabel tersebut diantaranya variabel ketebalan lapisan
konduktif (spacer) Cu dan jumlah perulangan N pada sistem konfigurasi multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N. Hasil pengukuran karakterisasi magneto-impedansi secara umum menunjukkan
bahwa nilai impedansi menurun dengan kenaikan medan pengimbas luar H dan impedansi
mencapai nilai jenuh pada medan H tertentu. Tipikal pengukuran magneto-impedansi pada
multilayer [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (300nm)]N di frekuensi 100 kHz diperoleh nilai impedansi Z
maksimum yaitu 22,8×10-2 Ω saat H = 0, kemudian berangsur-angsur menurun dengan kenaikan
medan magnet. Ketika medan magnet mencapai 20 mT, nilai Z mendekati nilai konstan pada
12,1×10-2 Ω. Tipikal rasio Magneto-impedansi (∆Z/Z (%) = {[Z(H) – Z(Hmax)]/Z(Hmax)}×100%) dalam
penelitian ini dimodifikasi dengan jumlah perulangan N dan ketebalan spacer Cu. Akhirnya nilai
rasio MI terbesar diperoleh 118.25 % untuk konfigurasi [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (200nm)]3 dihitung
pada frekuensi 100 kHz.
Kata Kunci: Magneto-impedansi, Ni80Fe20, spacer Cu, dan jumlah perulangan lapisan.
PENDAHULUAN
Efek Magnetoimpedansi (MI)
terkait dengan perubahan magnetisasi/
impedansi konduktor magnet yang
dipengaruhi oleh medan magnet luar
(Ripka, 2001).
Secara umum, Fenomena MI ini
dapat diekspre-sikan melalui persamaan,
%100)max(
)max()(%
HZ
HZHZ
Z
Z (1)
dengan )(HZ merupakan impedansi
(│Z2│=R2+X2) yang terukur ketika diberikan
medan magnet luar H, sedangkan
)max(HZ merupakan impedansi yang ter-
ukur ketika nilai medan magnet yang
diberikan maksimum (Knobel, 2003).
Fenomena ini dapat diaplikasikan
pada beragam sensor magnetik. Hal ini
dikarenakan MI memiliki sensitifitas
tinggi yaitu hingga orde pico Tesla
(Uchiyama, 2012). Mengingat
sensitifitasnya yang tinggi, saat ini MI
banyak dikembangkan dalam pembuatan
sensor biomedikal (Nakayama et al., 2011;
Panina 2011; Devkota et al., 2013; dan
Wang Tao et al., 2014 ).
Sensitifitas sensor ini sangat ditentukan oleh material magnetik yang dipakai. Ragam material soft magnetik yang digunakan diantaranya amorphous ribbon Co (Kuzminski, 2008), amorphous wires CoFeSiB (Raposo, 2003), CoP (Mai Thanh Tung, 2014), CoFeTaBCr (Betancourt, 2007), permalloy thin films Ni80Fe20 (Zhiyong zhong, 2008; Lei Chen dkk, 2010) dan sebagainya.
Banyak upaya telah dilakukan untuk menyelidiki hubungan MI terhadap beberapa variasi fisisnya dengan tujuan mencari kontribusi untuk rasio MI bernilai besar. Salah satunya, pada penelitian sebelumnya telah di klarifikasi dengan beberapa modifikasi, yaitu variasi frekuensi ac pengukuran dan jumlah perulangan N multilayer [Ni80Fe20/Cu]N (Amiruddin et al, 2014). Pada penelitian tersebut menunjukkan
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-6
bahwa rasio MI semakin meningkat seiring dengan kenaikan frekuensi dan perulangan lapisan.
Penelitian ini mengkaji ketergantungan rasio MI pada frekuensi ac rendah akibat impedansi magnetik terhadap modifikasi jumlah perulangan N multilayer [Ni80Fe20/ Cu]N, serta variasi ketebalan lapisan konduktif (spacer) Cu pada [Ni80Fe20/ Cu]N. METODE PENELITIAN
Lapisan tipis multilayer
[NiFe80Fe20/ Cu]N dihasilkan
menggunakan metode elektro-deposisi
dengan memakai elektroda kawat Pt
(Platina). Substrat yang digu-nakan
berupa kawat Cu berdiameter 0,46 mm.
Substrat ini sebelumnya dicuci
menggunakan ultrasonic cleaner
mengikuti prosedur standar clean room.
Bahan - bahan yang digunakan
untuk membuat larutan elektrolit dalam
elektro-deposisi dapat dilihat pada Tabel
1. Larutan elektrolit tersebut diupayakan
hingga mencapai keadaan asam dengan
rentang pH antara 2,5 - 3 diberikan H2SO4
1 M beberapa tetes di setiap larutan
elektrolit.
Proses penumbuhan atau pelapisan
NiFe pada substrat menggunakan rapat
arus 15,5 mA/cm2 dengan laju deposisi 2
nm/s, dan pelapisan Cu menggunakan
rapat arus 8 mA/cm2 dengan laju deposisi
6 nm/s, seperti yang diilustrasikan oleh
Gambar 1.
Tabel 1. Elektrolit yang dipakai untuk
membuat sampel multilayer [Ni80Fe20/Cu]N.
Elektrolit Bahan Jumlah
Pembentuk
NiFe
NiSO4.6H2O 0,099 M
FeSO4.7H2O 0,012 M
H3BO4 0,149 M
C6H8O3 0,002 M
Pembentuk Cu CuSO4.5H2O 0,065 M
C6H12O6 0,002 M
Pada eksperimen ini, proses
elektro-deposisi dilakukan berulang-ulang
untuk menghasilkan multilayer [Ni80Fe20
/Cu]N seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2. Sampel yang dibuat ini adalah
lapisan dengan variasi ketebalan lapisan
konduktif (spacer) Cu pada sistem
multilayer [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (y nm)]N
dengan y = 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350
nm, dan 400 nm. Sedangkan untuk variasi
jumlah perulangan N pada sistem
multilayer [Ni80Fe20 (800nm)/ Cu
(300nm)]N dengan N berturut-turut 1, 3,
dan 5.
Proses selanjutnya adalah
karakteri-sasi magneto-impedansi (MI)
dengan skematik pengukuran magneto-
impedansi ditunjukan pada Gambar 3.
Pengambilan data MI dilakukan
dengan mengukur nilai resistansi (R) dan
reaktansi (X) dari sampel untuk setiap
perubahan H eksternal. Nilai impedansi
terukur tersebut adalah impedansi total
22 XRz , dengan resistansi sebagai
sumbangan dari komponen riil dan
reaktansi sebagai sumbangan dari
komponen imajiner.
Gambar 1. Skema proses elektro-deposisi
(a) NiFe dan (b) Cu
Gambar 2. Ilustrasi multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi pada
substrat kawat Cu
(a)
(b)
+ -
Elektrolit pembentuk
Ni80Fe20
SubstratPlatina
A
V = 3,5 volt
J = 15,5 mA/cm2
4 cm
+ -
Elektrolit pembentuk
Cu
SubstratPlatina
A
V = 3,0 volt
J = 8 mA/cm2
4 cm
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-7
-40 -20 0 20 40
0.007
0.008
0.009
0.01
0.011 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis
Z (Ω
)
H (mT)
(a)frekuensi 20 kHz
-40 -20 0 20 400.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.22 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis
H (mT)
Z (Ω
)
(b)frekuensi 100 kHz
1 2 3 4 5
20
40
60
80
100
ΔZ/
Z (H
max
) ( %
)
f=20 kHzf=100 kHz
Jumlah Lapisan (N)
(c)
-40 -20 0 20 40
0.007
0.008
0.009
0.01
0.011 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis
Z (Ω
)
H (mT)
(a)frekuensi 20 kHz
-40 -20 0 20 400.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.22 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis
H (mT)
Z (Ω
)
(b)
frekuensi 100 kHz
1 2 3 4 5
20
40
60
80
100
ΔZ/
Z (H
max
) ( %
)
f=20 kHzf=100 kHz
Jumlah Lapisan (N)
(c)
-40 -20 0 20 40
0.007
0.008
0.009
0.01
0.011 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis
Z (Ω
)
H (mT)
(a)frekuensi 20 kHz
-40 -20 0 20 400.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.22 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis
H (mT)
Z (Ω
)
(b)
frekuensi 100 kHz
1 2 3 4 5
20
40
60
80
100
ΔZ/
Z (H
max
) ( %
)
f=20 kHzf=100 kHz
Jumlah Lapisan (N)
(c)
Gambar 4. (a), (b) Tipikal kurva impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk variasi N,
dan (c) Hubungan nisbah MI dengan N untuk substrat kawat Cu [Ni80Fe20 (800nm)/Cu
(300nm)]N
Teslameter
Power Supply
Solenoid
LCR meter
i acH dc
H ac
i dc
Magnetic wire
Gambar 3. Skema pengukuran magneto-
impedansi
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Jumlah Pelapisan N dari
Multilayer [Ni80Fe20 (800nm) / Cu
(300nm)]N
Gambar 4 (a) dan (b) menunjukkan
grafik impedansi Z sebagai fungsi medan
magnet pada frekuensi f = 20 kHz dan
100 kHz. Kedua grafik tersebut memiliki
tipikal kurva yang sama serta teramati
karakterisasi perubahan kurva impedansi
ketika diberikan medan magnet luar H.
Selain itu gambar tersebut menunjukkan
bahwa variasi N dari multilayer [Ni80Fe20
(800 nm)/Cu (300 nm)]N memiliki tipikal
grafik yang sama, namun dengan nilai
puncak Z yang berbeda.
Tipikal kasus N = 5, saat H = 0
mula-mula impedansi terukur sebesar Z =
22,8× 10-2 Ω. Nilai Z ini berangsunr-
angsur turun dengan kenaikan medan
eksternal H hingga mencapai hampir
jenuh pada nilai Z = 12,8× 10-2 Ω setelah
H 20 mT. Tipikal kurva semacam ini
teramati juga untuk jumlah N dan
frekuensi lainnya.
Dari data nilai impedansi yang
diperoleh, kita dapat menentukan rasio
Magneto-impedansi dengan menggunakan
persamaan (1). Hubungan nilai rasio MI
dengan N multilayer [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu
(300 nm)]N dapat diamati pada Gambar 4
(c). Pada Grafik tersebut, nilai rasio MI
semakin meningkat seiring dengan
kenaikan jumlah lapisan N di frekuensi 20
dan 100 kHz.
Kenaikan jumlah perulangan
lapisan tipis akan meningkatkan
komponen riil dan imajiner impedansi
sampel. Ketika jumlah perulangan
lapisan N dimodifikasi, nilai reaktansi
yaitu bagian imajiner impedansi total
sampel mengalami perubahan lebih
drastik dibandingkan komponen riil.
Akibatnya, nilai terukur nisbah MI untuk
sampel dengan N = 5 terbesar
dibandingkan sampel lainnya.
Hasil ini telah sesuai dengan yang
dilakukan oleh Devkota et al., (2013); dan
Amiruddin et al., (2014), dimana dalam
penelitiannya, konduktor magnetik
dengan jumlah lapisan lebih banyak
memiliki rasio MI yang lebih besar
daripada konduktor magnetik yang hanya
terdiri dari satu lapis.
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-8
-40 -20 0 20 400.006
0.0075
0.009
0.0105
0.012
0.0135
H (mT)
Z (Ω
)
y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm
(a)frekuensi 20 kHz
-40 -20 0 20 40
0.12
0.15
0.18
0.21
0.24
0.27
H (mT)Z
(Ω)
y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm
(b)frekuensi 100 kHz
200 250 300 350 40020
40
60
80
100
120
Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)
ΔZ/
Z (H
max
) (O
hm)
f=20 kHzf=100 kHz
(c)
-40 -20 0 20 400.006
0.0075
0.009
0.0105
0.012
0.0135
H (mT)
Z (Ω
)
y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm
(a)frekuensi 20 kHz
-40 -20 0 20 40
0.12
0.15
0.18
0.21
0.24
0.27
H (mT)Z
(Ω)
y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm
(b)frekuensi 100 kHz
200 250 300 350 40020
40
60
80
100
120
Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)
ΔZ/
Z (H
max
) (O
hm)
f=20 kHzf=100 kHz
(c)
-40 -20 0 20 400.006
0.0075
0.009
0.0105
0.012
0.0135
H (mT)
Z (Ω
)
y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm
(a)frekuensi 20 kHz
-40 -20 0 20 40
0.12
0.15
0.18
0.21
0.24
0.27
H (mT)
Z (Ω
)
y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm
(b)frekuensi 100 kHz
200 250 300 350 40020
40
60
80
100
120
Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)
ΔZ/
Z (H
max
) (O
hm)
(c)
f = 20 kHzf = 100 kHz
Gambar 5. (a), (b) Tipikal kurva impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk variasi N,
dan (c) Hubungan nisbah MI dengan N untuk substrat kawat Cu [Ni80Fe20 (800nm)/Cu
(300nm)]N
Pengaruh Ketebalan Spacer Cu Terhadap MI pada Multilayer [Ni80Fe20(800 nm)/Cu ( y nm)]3
Gambar 5 (a) dan (b) menunjukkan
kurva karakteristik magneto-impedansi
lapisan multilayer [Ni80Fe20(800nm)/Cu( y
nm)]3 terhadap aplikasi medan magnet H
dengan variasi tebal lapisan Cu berturut-
turut 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm,
dan 400 nm pada frekuensi 20 kHz
maupun 100 kHz.
Hal serupa terjadi di Gambar 5 (a),
(b) yang menunjukkan tipikal kurva
serupa dengan frekuensi 20 kHz dan 100
kHz pada gambar 4 (a), (b).
Gambar 5 (c) resume rasio MI dari
menggunakan persamaan (1) dengan
impedansi diperoleh dari kurva a dan b.
Hasil memperlihatkan/ menunjukkan
bahwa kenaikan tebal lapisan Cu pada
[Ni80Fe20(800 nm)/Cu(y nm)]3 maka rasio
MI yang dihasilkan cenderung semakin
kecil secara linear. Namun ketika
ketebalan spacer Cu diperbesar lagi, yaitu
y = 400, nilai impedansi dan nilai rasio MI
justru meningkat.
Penjelasan mengenai efek ini dapat
dijelaskan dengan teori MI yang terjadi
pada sistem multilayer yang terealisasi
pada konduktor kawat silinder. Efek MI
pada sistem ini terjadi karena adanya
perbedaan resistansi antara lapisan
magnetik dan non-magnetik. Ketika nilai
ketebalan dari lapisan magnetik
meningkat maka resistansi dari lapisan
magnetik akan mengalami penurunan.
Ketika ketebalan lapisan magnetik
ini terus diperbesar maka resistansi dari
lapisan magnetik ini akan mendekati nilai
resistansi dari lapisan non-magnetik.
Namun, terjadi anomali saat di ketebalan
spacer Cu y = 400 nm. Impedansi atau
rasio MI di saat ketebalan tersebut justru
menigkat.
KESIMPULAN
Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N hasil
elektro-deposisi substrat kawat Cu telah
dimodifikasi pada variasi jumlah
perulangan lapisan (N = 1, 3, dan 5) dan
ketebalan spacer Cu (y = 200 nm, 250 nm,
300 nm, 350 nm, dan 400nm). Hasil
karakterisasi fenomena impedansi variasi
jumlah perulangan diperoleh bahwa
kenaikan jumlah perulangan lapisan N
pada konfigurasi multilayer maka
semakin besar impedansi serta semakin
besar juga rasio MI yang dihasilkan.
Sedangkan pada variasi ketebalan
spacer Cu, hasil menunjukkan bahwa
kenaikan tebal lapisan spacer Cu akan
menghasilkan impedansi dan rasio MI
yang semakin kecil. Namun, saat di
ketebalan tertentu ( y = 400 nm), nilai
impedansi dan rasio MI justru menjadi
naik.
DAFTAR RUJUKAN
Amiruddin, M., Utari, and Budi, P. 2014.
Fenomena Magneto-impedansi untuk
Frekuensi Rendah pada Multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N Hasil Elektro-
deposisi. Jurnal Fisika dan
Aplikasinya, Vol. 10, No. 2, pp. 95 -
98.
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-9
Atalay, F.E., and Atalay, S. 2005. Giant
magnetoimpedance effect in NiFe/Cu
plated wire with various plating
thicknesses. Journal Alloys &
Compound, Vol. 392, pp. 322-328.
Betancourt, I., Vazquez, F., 2007.
Magnetic Properties and Low
Frequency Magnetoimpedance of Novel
Amorphous CoFeTaBCr Ribbons.
Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.
353, pp. 893-895.
Chen, L., Zhou, Y., Lei, C., Zhou, Z.M.,
Ding, W., 2010. Giant
Magnetoimpedance Effect in Sputtered
Single Layered NiFe Film and Meander
NiFe/Cu/NiFe Film. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials,
Vol. 322, pp. 2834-2839.
Devkota, J., Wang, C., Ruiz, A.,
Mohapatra, S., Mukherjee, P., Srikanth,
H., and Phan, M.H. 2013. Detection of
low-concentration superparamagnetic
nanoparticles using an integrated radio
frequency magnetic bio sensor. Journal
of Applied Physics, Vol. 49, No.7, pp.
4060-4063.
Knobel, M., Vazquez, M., and Kraus, L.,
2003. Giant magnetoimpedance. In:
Buschow KH, editor. Handbook of
magnetic materials. Elsevier Science
B.V., Vol. 15, pp.1-69.
Nakayama, S., Atsuta, S., Shinmi, T., and
Uchiyama, T., 2011. Pulse-driven
Magnetoimpedance Sensor Detection of
Biomagnetic Fields in Musculatures
with Spontaneous Electric Activity,
Biosensors and Bioelectronics, Vol. 27,
pp. 34 – 39.
Panina, L. V., 2011. Electromagnetic
sensor technology for boimedical
applications, Recent Aplication in
Biometrics. Plymouth: InTech.
Raposo, V., Flores, A.G., Zazo, M., Iniguez,
J.I., 2003. Magnetic After Effect of Giant
Magnetoimpedance in Amorphous
Wires. Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, Vol. 254, pp. 204-
206.
Ripka, P., 2001. Magnetic sensors and
magnetometers. London: Artech House
Publishers.
Tung, M.T., Hang, L.T., Tuan, L.A., Nghi,
N.H., 2014. Influence of
Electrodeposition Parameters on The
Magnetic and Magneto-impedance
Properties of CoP/Cu Wires. Physica,
Vol 442, pp. 16-20.
Uchiyama, T., Mohri, K., Honkura, Y., and
Panina, L.V., 2012. Advances of Pico-
Tesla Resolution Magneto-Impedance
Sensor Based on Amorphous Wires
CMOS IC MI Sensor. IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 48, No.
11, pp. 3833 – 3839.
Wang, T.E., Yang, Z.E., Lei, C., Lei, J.I,
and Zhou, Y., 2014. An Integrated Giant
Magnetoimpedance Biosensor for
Detection of Biomarker. Biosensors and
Bioelectronics, Vol. 58, pp. 338 – 344.
Recommended