MAGNETORESISTAN PADA LAPISAN TIPIS Fe DAN
APLIKASINYA PADA SISTEM SPIN-VALVES FeNi/Cu/Co
Trimardji Atmono
P3TM-BATAN
Kamsul Abraha, Edi Suharyadi
Jurusan Fisika F-MIPA,UGM
Karl-Heinz Otto
G h K-Universität, Kassel-Germany
ABSTRAK
MAGNETORESISTAN PADA LAPISAN TIPIS Fe DAN APLIKASINYA PADA SISTEM SPIN-VALVES FeNi/Cu/Co. Telah dilakukan penelitian pengaruh medan magnet terhadap besarnya tahanan lapisan tipis Fe. Cuplikan dalam bentuk lapisan tipis tersebut dihasilkan dengan metode DC dan RF-Sputtering. Pada metode RF, dilakukan variasi tegangan self -b i a s u n t u k menyelidiki pengaruhnya terhadap gejala Magnetoresistance (MR). Hasil penelitian menunjukkan bahwa baik DC maupun RF memiliki dua karakter yang sama, yaitu watak simetri untuk medan magnet luar B positif dan negatif dan nilai resistansi maksimum disekitar B = 0. Pengukuran MR juga memperlihatkan ketergantungan pada ketebalan yang menunjukkan secara tidak langsung keterkaitannya dengan struktur mikroskopis lapisan tipis yang terbentuk. Pada aplikasi lapisan Fe untuk sistem spin-valves FeNi/Cu/Co, terjadi pergeseran gaya koersitiv FeNi dari lapisan tunggalnya, dari 0,08 menjadi 0,12 kA/m untuk Hc1, demikian pula Co dari 2,46 menjadi 1 kA/m Hc2. Dengan demikian kemungkinan telah terbentuk sistem Pseude-spin -valves. Pengamatan Magnetoresistance menunjukkan ketergantungan tahanan spin-valves dari medan magnet terpasang , mencapai maksimum b i l a medan magnet terletak antara Hc1 dan Hc2, minimum bila orientasi kedua magnetisasi saling antiparall e l p a d a medan diatas ± 1 kA/m.
ABSTRACT
THE MAGNETORESISTANCE ON Fe THIN FILM AND THE APPLICATION IN THE SYSTEM SPIN-VALVES FeNi/Cu/Co. The research of the effect of magnetic field on the resistance Fe thin film has been done. The sample in the form of thin films were produced by means of DC- a n d R F-Sputtering. By the RF-method, the variation of self bias voltage (SBV) was carried out in order to investigate the influence of this SBV on the Magnetoresistance. The results show that the prepared DC - and RF Sputtering has symmetrical properties of MR for positive and negative field and the maximal resistance at the B = 0. The measured resistance also show the thickness dependece which indicates indirect correlation with microstructure. The shifting of the Coercitiv force from the single layer is occurred in the application Fe for spin-valves FeNi/Cu/Co, namely 0.08 to 0.12 kA/m for Ni and 2.46 tp 1 kA/m for Co. This indicate the forming of Pseudespin -valves . The measurement of the magnetoresistance show the dependence of resistance on the magnetic field, reached the maximum value if the magnetic field lay between Hc1 and Hc2 and also the minimum value if the magnetization oriented antiparallel at the field above ± 1 kA/m.
PENDAHULUAN
MR (Giant Magneto-Resistance) merupakan akibat langsung dari polarisasi spin arus elektron total yang dipengaruhi oleh perubahan keadaan magnetis sampel dengan mengenakan suatu medan magnet luar. Ditinjau keadaan dimana elektron-elektron berspin antiparalel (berlawanan arah) terhadap magnetissai (Spin Down) lebih sering terhambur dari pada elektron-elektron berspin paralel
(searah) terhadap magnetisasi (spin up). Resistansi elektron-elektron spin up lebih rendah dibandingkan dengan resistansi elektron-elektron spin down, yang berakibat pada rendahnya resistansi total. Dalam kasus magnetisasi anti paralel, elektron-elektron di dalm saluran spin memiliki laju hamburan yang tinggi pada salah satu dari lapisan-lapisan, yang berakibat pada tingginya resistansi total. Ukuran efek GMR
G
diungkapkan dalm nisbah GMR, biasanya relatif terhadap medan tinggi:
∆R R R R R AP P P = −
dengan RAP dan RP berturut -turut adalah resistansi keadaan anti paralel dan resistansi keadaan paralel. Penyearahan paralel dapat dicapai dengan me -masang medan magnet luar yang cukup besar untuk merotasikan megnetisasi kedua lapisan paralel terhadap medan yang dikenakan. Untuk mengetahui gejala GMR atau ketergantungan resistivitas bahan terhadap medan magnet luar dapat dilakukan dengan sistem 4 – Probe yaitu dengan mengambil empat titik pada sampel. Sampel di letakkan pada daerah dengan medan magnet lu ar yang dapat divariasi. Pengukuran efek magnetorisistansi (GMR) dapat dilakukan dalam dua konfigurasi: geometri CIP dan geometri CPP. Secara alamiah, geometri CIP dihasilkan bila suatu susunan banyak lapisan (multilayer) dideposisi di atas suatu substrat datar (planar substrat), dan karena itu merupakan konfigurasi yang diteliti secara intensif. Tetapi secara teori efek GMR diramalkan lebih besar untuk geometri CPP, karena semua elektron harus melewati semua lapisan dan permukaan.(2) Suatu jabaran teo ritis mengenai efek GMR ini juga lebih maju dan dapat dijelaskan oleh model dua saluran yang diperkenalkan oleh Baibich.(5) Resistansi dua saluran spin diuraikan secara terpisah dengan mengasumsikan bahwa tidak ada hamburan flip spin. Hal ini telah dibenarkan secara makrokopis (Cablong dan Valet,(6)). Mereka menggunakan persamaan transport Boltzman agar berlaku model dua kanal bila perioda lapisan -lapiasn jauh lebih pendek dari pada panjang difusi spin lsf yang merupakan skala panjang khas untuk sebuah elektron mempertahankan spinnya. Secara normal yang terakhir ini lebih besar dari pada panjang lintasan bebas rerata elektron λ, berakibat pada validitas penggambaran resistansi elektron yang gayut pada spin sebagai suatu jumlahan resistansi-resistansi bulk gayut spin dan resistansi permukaan-sambungan (interface) FN. Kelompok Riset di Michigan State pertama menunjukkan bahwa model ini dapat dengan baik menggambarkan ketergan -tungan yang teramati secara eksperimen untuk efek GMR CPP terhadap lapisan dan cacah permukaan sambungan dalam sampel. Meskipun efek yang diramalkan lebih besar dan meskipun suatu gambaran teoritis yang mendahului telah tersedia, efek GMR untuk CCP bukan merupakan konfigurasi yang sering diselidiki. Hal ini disebabkan oleh kesulitan bahan preparat dalam kondisi pengukuran geometri ini. Panjang bagian aktif sampel hanya setebal film yang biasanya
jauh lebih kecil dari pada ukuran lebar melintang. Resistansi yang sangat kecil hanya dapat diukur dengan teknik yang sangat sensitif, atau menggunakan teknik mikrofabrikasi atau bahkan nanofabrikasi. Masalah ini tidak tejadi untuk CIP GMR karena dalam kasus ini panjang sampel dapat dengan mudah berorde besar, lebih besar dari ketebalan thin filmnya, sehingga resistansinya dapat diukur dengan lebih sederhana. Gambaran studi secara ringkas dapat diberikan dengan asumsi bahwa interaksi antara elektron -elektron konduksi dengan momen-momen magnetik hanya merupakan interaksi spin -spin. Tentu saja interaksi ini juga berisi sumbangan anisotropi, seb agai contoh yang muncul dari bentuk interaksi. Apabila dihitung resistivitas berdasarkan domain tunggal, maka diperoleh(4): 1. Resistivitas bergantung arah arus paralel atau
tegak lurus dengan magnetisasi. Resistivitas ini disebut resistivitas anisotropik.
2. Untuk arus sepanjang sumbu x dengan magnetisasi sepanjang sumbu z, muncul medan listrik searah sumbu y. Ini dikenal dengan efek Hall Spontan.
Resistansi elektron-elektron spin up lebih rendah dibandingkan dengan resistansi elektron -elektron spin down, yang berakibat pada rendahnya resistansi total. Dalam kasus magnetisasi anti paralel, elektron-elektron di dalam saluran spin memiliki laju hamburan yang tinggi pada salah satu dari lapisan -lapisan, yang berakibat pada tingginya resistansi total.
Salah satu aplikasi Magnetoresistance adalah sistem Spin -Valves yang pada dasarnya terdiri dari tiga lapisan tipis. Sebagai contohnya adalah lapisan FeNi, lapisan Co yang berfungsi sebagai hartmagnetic dan lapisan non magnetic Cu. Dalam hal ini tidak terjadi koppling antara FeNi dan Co karena dipisahkan oleh lapisan tipis Cu. Efek Magnetoresistance adalah maksimum bila magneti-sasi dari FeNi antiparallel terhadap Co.
TATA KERJA DAN PERCOBAAN
Lapisan tipis Fe dihaslkan melalui proses sputtering, DC dan RF pada tegangan searah antara elektroda 2, 2,5 dan 3 kV serta tegangan self-bias pada RF masing-masing 950 V, 975 V dan 1000 V. Sistem Spin -Valves FeNi/Cu/Co dihasilkan dengan metode RF-Sputtering. Sistem sputtering yang dipergunakan adalah peralatan komersial Hüttinger PFG650, buatan Jerman. Target selalu dipasang pada katoda yang bertegangan negativ, sedangkan anoda adalah sebagai ground. Sebagai sputtergas digunakan Argon dengan tekanan 10-2 mbar. Dengan
menggunakan pompa rotary dan turbo diperoleh tekanan hampa sebesar 10-6 mbar. Waktu sputtering berkisar antara 20 sampai 60 menit., dengan daya 150-175 W. Sebagai substrat adalah kaca preparat dengan tebal 1mm dan diameter 20mm. Pengukuran resistan dilakukan dengan metode four-point probe, kemudian dipasang medan magnit luar untuk menentukan perubahannya terhadap variasi medan.
Hasil pengujian ditampilkan dalam bentuk kurva Tahanan (R) dengan Medan Magnet luar (B).Untuk karakterisasi sistem spin-valves dilakukan pengamatan kurva hysterisis, yaitu ketergantungan magnetisasi dari medan magnet luar, masing masing untuk lapisan tipis tunggal NiFe dan Co dan sistem NiFe/Cu/Co. Dilakukan pula pengukuran magneto-resistan pada sistem ini.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gejala Magnetoresistance adalah perubahan tahanan (R) karena pengaruh medan luar, disajikan dalam bentuk grafik tahanan versus madan magnet (B). Gambar 1 dan 2 di bawah ini merupakan hasil pengukuran untuk masing-masing lapisan tipis dengan metode preparasi dan tegangan berbeda. Dari hasil ini terlihat bahwa lapisan tipis hasil metode s puttering maupun DC -Sputtering me-nunjukkan sifat yang sama dalam hal pengaruh medan magnet luar B terhadap nilai tahanan R. Teramati watak simetris serta nilai maksimum tahanan disekitar B = 0. Keberadaan resistivitas magnetik tidak dapat dip isahkan dari sumbangan yang berasal dari ketakteraturan spin (spin disorder) dalam bahan tersebut yang berasal dari hamburan tukar (exchange scattering).(2)
Gambar 2. Hasil pengukuran efek MR pada lapisan tipis Fe, DC-Sputtering.
Bila sekarang dipasang medan magnet luar, maka ketidak teraturan tersebut akan berkurang, sehingga kontribusinya pada tahanan akan cenderung menurun, ditandai dengan berkurangnya nilai tahanan terukur. Sumbangan resistivitas magnetik akan mencapai minimal pada saat spin-spin magnetik dalam keadaan teratur (ordered), sehingga pada keadaan ini medan magnet luar yang dikenakan tidak lagi berpengaruh pada nilai resistivitas. Medan magnet ini disebut medan magnet jenuh, artinya pada keaadaan ini arah magnetisasi telah searah dengan medan luar yang terpasang.
Hasil pengamatan pengaruh ketebalan terhadap gejala MR diperlihatkan pada Tabel 1, masing-masing untuk metode DC - dan RF-sput-tering . Tampak bahwa lapisan tipis yang dihasilkan dengan kedua metode mempunyai karakter yang sama dalam hal pengaruh ketebalan terhadap tahanan parallel (Rp), tahanan terukur saat medan magnet jenuh.
Tabel 1. Gejala MR terhadap variasi ketebalan
lapisan tipis. Tebalan (µ A) µ Rp (Ohm) Tebalan (µ A) µ Rp (Ohm) 1,7 ± 0,2 3,8 ± 0,1 0,22 ± 0,01 24,23 ± 0,5 1,8 ± 0,3 0,46 ± 0,09 0,44 ± 0,02 0,18 ± 0,04 1,9 ± 0,2 (5,3 ± 0,2)10-3 0,57 ± 0,01 (4,3 ± 0,7)10-3
a). RF-Sputtering b). DC-Sputtering
Semakin tebal lapisan tipis, diperoleh nilai tahanan terukur yang mengecil. Hamburan spin yang terjadi dalam material magnetik adalah hamburan spin flip (spin-flip scattering ) dan hamburan potensial (potential scattering) /3/. Kedua hamburan tersebut menyebabkan perbedaan jumlah rapat keadaan (state density) elektron konduksi di kedua “kanal” spinup dan spin -down. Karena efek hamburan spin lebih besar untuk lapisan yang makin tipis, maka peningkatan ketebalan mengakibatkan nilai tahanan parallel makin menurun. Selain itu juga ukuran butir (grain) permukaan yang jauh lebih kecil dari ketebalannya berakibat mengurangi ketergantungan hamburan spin. Efektifitas hamburan ini menurun terhadap ketebalan, sehingga menyebabkan penurunan nilai tahanan.
Pengotor non magnetik juga dapat mem-berikan sumbangan pada pengukuran resistansi, karena akan menimbulkan hamburan potensial pada elektron konduksi, yaitu hamburan yang tidak menimbulkan perbedaan populasi kanal spin -up dan spin -down yang optimal(3).
Pada Gambar 3 ditunjukkan hasil pengamat-an kurva hysterisis lapisan tunggal dengan tebal 80 Å untuk Co dan 100Å untuk NiFe. Untuk lapisan Co diperoleh Hc = 2,46 kA/m, sedangkan gaya koer-sitiv dari NiFe adalah 0,08 kA/m.
Pada Gambar 4 ditunjukkan hasil pengamat-an kurva hysterisis untuk lapisan FeNi/Cu/Co dengan tebal yang sama seperti lapisan tunggalnya, untuk Cu adalah 50 Å. Terlihat adanya pergeseran gaya koersitiv dari lapisan tunggalnya. Untuk lapisan FeNi dari 0,08 menjadi 0,12 kA/m, sedangkan untuk Co dari 2,46 menjadi 1 kA/m. Kemungkinan dis ini telah terbentuk sistem Pseudo -spin-valves karena terjadinya pergeseran gaya koersitiv. Pada daerah
medan diantara Hc1 untuk NiFe dan Hc2 untuk Co , orientasi momen magnetik adalah antiparallel.
Gambar 3. Magnetisasi dan Gaya Koersitiv dari lapisan tunggal FeNi dan
Co. Sumbu Y adalah besarnya magnetisasi setelah dinormali -sasi terhadap Magneti-sasi jenuh .
Gambar 4. Kurva hysterisis dari sistem Spin -valves FeNi/Cu/Co .
Gambar 5 adalah hasil pengukuran magneto -resistance pada spin-valves NiFe/Cu/Co. dengan tebal masing-masing 100Å, 50Å dan 80Å. Didalam setiap logam, dikenal dua orientasi spin, yaitu up dan down. Efek GMR bermula dari hamburan yang tergantung spin pada elektron -elektron yang terletak di perbatasan antara lapisan tipis. Dari Gambar 5 terlihat bahwa gejala MR mencapai maksimum pada medan luar 0,3 kA/m dan -0,3 kA/m yaitu pada orientasi momen magnetik kedua lapisan yang saling antiparallel. Sedangkan harga ∆R/R mencapai minimal untuk orientasi parallel, yaitu pada medan di atas ± 1 kA/m.
Elektron dengan orientasi spin sejajar magnetisasi (elektron minoritas) akan terus, hampir tidak terjadi hamburan, sedangkan elektron mayoritas dengan orientasi spin antiparallel terhadap magnetisasi akan terhambur dengan kuat (Gambar 6) karena kanalnya tertutup Sebagai akibatnya adalah
bahwa tahanan tergantung dari spin, elektron mayoritas menyebabkan naiknya tahanan yang terukur.
Kontribusi terbesar transport arus listrik pada logam adalah elektron-elektron pada daerah energy Fermi EF. Gambar 7 menunjukkan rapat keadaan (state density) sebagai fungsi dari tenaga.(1)
Pergeseran dari pita s pada umumnya di-abaikan karena pengaruhnya yang tidak begitu signifikan terhadap occupationsnumber. Bila orien-tasi dari spin adalah parallel terhadap magnetisasi maka terjadi pergeseran pita d ke tenaga yang lebih rendah, sedangkan orientasi antiparallel menyebab-kan pergeseran ke tenaga yang lebih tinggi.Dengan demikian terjadi perubahan yang besar pada occupationsnumber pada daerah tenaga Fermi EF, ditandai dengan perubahan form dari pita d, sehingga akan menaikkan sifat konduktivitas dari logam.
Gambar 5. Hasil pengukuran efek GMR pada spin-valves 100Å NiFe /50Å Cu/80Å Co.
Gambar 6. Hamburan elektron spin down pada perbatasan thin film.
Gambar 7. Pita-pita s dan d pada logam 3d (logam
peralihan) untuk menjelaskan efek magneti-sasi dan konduktivitas.
KESIMPULAN
Dari pengukuran magnetoresistance pada lapisan tipis Fe hasil RF- dan DC Sputtering , diperoleh dua karakter pokok yang sama, yaitu watak simetri dan nilai resistansi maksimumnya di sekitar B = 0. Respon magnetik terhadap medan terpasang akhirnya mengalami kejenuhan, artinya nilai resistansinya tidak berubah meskipun medan terus dinaikkan. Pengukuran MR juga memperlihat-kan ketergantungan pada ketebalan yang menunjuk-kan keterkaitannya dengan struktur mikroskopis lapisan tipis yang terbentuk. Pada aplikasinya dalam sistem Spin-valves FeNi/Cu/Co, terjadi pergeseran gaya koersitiv FeNi dari lapisan tunggalnya , yang mengindikasikan timbulnya suatu sis tem Pseudo-spin-valves . Pengamatan magnetoresistance me-nun jukkan ketergantungan tahanan spin-valves dari medan magnet terpasang. Hal ini bisa dijelaskan dengan model spin yang terorientasi parallel dan antiparallel terhadap arah magnetisasi, yaitu spin -up dan spin down yang jelas memberikan kontribusi pada efek medan magnit luar terhadap pergeseran pita d, sehingga menyebabkan proses hamburan, menyebabkan perubahan konduktivitas logam, terutama logam peralihan (3d).
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Sdr.Giri Slamet yang telah mengerjakan preparasi thin film dengan metode Sputtering. Kepada Sdr. Yunanto, BE penulis mengucapkan terimakasih atas diskusi ilmiah yang sangat berguna untuk penulisan makalah ini.
DAFTAR PUSTAKA
1. C. KITTEL, Introduction to Solid State Physics , John Wiley and Sons, New York, USA 1986. 2. GSM RIJKS, Layered Thin Film for Sensor
Applications : Magnetoresistance and Magnetic Interactions, PhD-Thesis, Eindhoven Univer-s ity of Technology, Netherland, 1996. 3. C. LOCH, Struktur und Thermische Stabilitat
von Spin-Valve Systemen , Thesis Doktor, GhK-Universitt, FB.Physik, Kassel-Germany 1999. 4. E. SUHARYADI, Pengaruh Metoda Preparasi
DC dan RF Sputtering Terhadap Sifat Lapisan Tipis Fe, Thesis S2, Program Pasca Sarjana UGM, 2000.
5. M.N. BAIBICH, et al, Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Supperlattices , Physical Review Letter, 61(21), 2472-2475, 1988. 6. M. CABLONG, V. VALET, Layered Magnetic
Structures:Interlayer Exchange Coupling and Giant Magneto-resistance, J. Magn. and Magnetic Materials, 140, 144, 1997.
TANYA JAWAB
Djoko SP
− Mohon dijelaskan apa yang dimaksudkan dengan “spin valve”.
− Mengapa pada B = 0, resistansi maksimum dan simetri.
− Bahan-bahan apa saja yang mempunyai sifat GMR.
Trimardji Atmono
− “Spin valve” adalah spin-ventile yaitu ventile yang bisa dibuka dan ditutup oleh orientasi pin, sesuai dengan spin -up dan spin-down. Bila medan luar searah dengan spin -up maka resistansi bahan menjadi kecil karena hamburan yang terjadi menjadi sangat sedikit, elektron-elektron penghantar dan hole bisa melewati lapisan tipis tanpa hambatan yang berarti. Sebaliknya bila orientasi spin-down yang terjadi antiparallel terhadap medan luar maka proses hamburan yang lebih sering terjadi meng-akibatkan resistansi yang besar pada bahan karena elektron-elektron penghantar sulit me-nembus thin film.
− Pada medan luar = 0 maka orientasi momen magnetik adalah acak, sehingga terjadi ham-buran (scattering) yang mengakibatkan resistansi mak simum. Sifat simetris pada B = 0 disebabkan pengaruh medan magnit yang sama, baik + maupun − terhadap orientasi momen magnetik yang tersebar secara acak .
− Pada umumnya gejala GMR terjadi pada bahan yang bersifat ferromagnetik dan penghantar listrik, seperti Fe, Co, Cr.
− Mohon dijelaskan pengertian “spin valve”?
− Faktor-faktor apa yang menyebabkan terjadinya perubahan MR dari lapisan tersebut (secara mikroskopis)?
Trimardji Atmono
− Lihat jawaban untuk Sdr. Djoko SP (no. 1).
− Pada penelitian ini dilakukan variasi ketebalan yang menyebabkan perubahan MR. Gejala MR bertambah dengan menurunnya ketebalan lapis-an tipis. Hal ini secara mikroskopis bisa di-mengerti karena dengan berkurangnya ketebalan maka terjadi lebih banyak hamburan, yaitu spinflipscattering dan juga potential -scattering yang menyebabkan perubahan jumlah rapat keadaan (state density) .
Wirjoadi
− Bagaimana pembuatan lapisan tipis FeNi apakah dengan sistem mosaik atau campuran Fe dan Ni pada target.
− Bagaimana pengukuran resistivitas, apakah pada bagian lapisan tipis Co atau lapisan tipis diberi 2 elektrode dan diukur pada elektrode tersebut.
Trimardji Atmono
− Pembuatan lapisan tipis dilakukan dengan teknik RF -sputtering, dimana target FeNi berupa mosaik, yaitu Ni di atas target massiv Fe.
− Pengukuran resistivitas dikerjakan dengan sistem elektrode, artinya bukan hanya pada lapisan Co saja, melainkan sistem spin-valve FeNi/Cu/Co .
