EFEK GIANT MAGNETORESISTANCE PERALIHAN Co,Ni,Cu PADA LOGAM ABSTRAK ABSTRACT PENDAHULUAN. Tri Mardji Atmono, Yunanto P3TM-BATAN

(1)

58 ISSN 0216-3128 Tri Mrardji A/mono, dkk.

EFEK

GIANT

MAGNETORESISTANCE

PERALIHAN Co,Ni,Cu

PADA

LOGAM

Tri Mardji Atmono, Yunanto

P3TM-BATAN K. RlSlI

Kassel- University-Germany

ABSTRAK

EFEK GIANT-MAGNETORESISTANCE PADA LOGAM PERALIHAN Co. Ni. Cu. Telah dilakukan penelitian dari efek medan magnit terhadap tahanan listrik pada sistem Co/CuiCo/NiO dengan substrat Si.

Cuplikan dalam bentuk lapisan tipis dihasilkan dengan metode Sputtering pada frekuensi 13.5 MHz. Amplitudo GMR diteliti sebagai fungsi ketebalan spacer Cu dan ketebalan lapisan tipis ferromagnetik Co. Gejala GMR maksimal pada sistem lapisan Si/Co/CuiCo/NiO muncul pada saat teljiadi kopling Antiferromagnetik (AFM)antara free layer dengan pinned layer. Meskipun juga terjadi pada saat kedua arah magnetisasi saling parallel (kop/ing ferromagnetik). tetapi nisbah GMR sangat keci/. wa/aupun resistanjenuh mencapai)5 n Hasi/ tersebut diperoleh berdasarkan pengamatan efek GMR sebagaifungsi /apisan Cu yang dideposisi diantara /apisan-/apisan magnetik Co. dimana keteba/an 3 nm (untuk Cu) dan 12 nm (untuk Co) memberikan hasi/ nisbah 3.5 % untuk kop/ing AFM. Pergeseran dari gaya koersitiv /apisan tipis Co-3nm sebesar 75 gauss merupakan efek dari NiO sebagai /apisan anti-ferromagnetik.

ABSTRACT

THE GIANT-MAGNETORESISTANCE (GMR) OF THE TRANSITIONSMETAL Ni, Fe. Co. The influence of the magnetic field on the resistance of of the system ColCuiColNiO with Si substrat have been investigated. The samples in the form of thin films were produced by means of Sputtering at the frequenz of 13.5 MHz. GMR-Amplitude were detected as function of the thickness of the Cu-spacer and the thickness

of Co-thin films. If the coupling between free layer and pinned layer at the system ofSi/ColCuiColNio was Antiferromagnetic (AFM), the GMR-effect reached the maXimal value. The GMR is also occurred by the ferromagnetic-coupling. but the ratio was negligible. although the saturation of the resistan.::e was 25 il

This result was achieved for the AFM-coupling based on the measurement of the GMR-effect as afunction of the Cu-thickness deposited between the Co magnetic layers, where the ratio of 3.5 % was reached at the Cu- and Co thickness of 3 nm and 12 nm respectively. The shifting of 75 gauss of the thin film Co-3nm was the effect of the NiO as antiferromagnetic layer.

PENDAHULUAN

terhadap arah arus listrik, dinamakan Anisotropic Magnetoresistance (AMR), dapat mencapai 5% pada Permalloy untuk medan rendah (H < 10 Oe). Oleh karena itu gejala AMR sangat tepat pada aplikasinya sebagai senso~2.3), seperti pad a reading-head untuk hard-disc. Pengaruh medan magnet terhadap material yang bersifat magnetik dengan spacer non magnetik dan juga pada sistem multilayer memberikan efek MR. yang paling besar, dan disebut GMR (Giant Magnetoresistance), dapat mencapai 70% pada suhu rendah(4). Gejala ini merupakan efek dari hamburan (scattering) elektron penghantar pada perbatasan antara lapisan, dimana kebolehjadian hamburan dari elektron dengan spin-down lebih besar daripada elektron dengan spin-up, karena arahnya anti parallel terhadap magnetisasi. Ukuran dari gejala Magnetoresistan ini pada umumnya diungkapkan dalam nisbah GMR, biasanya relatif terhadap medan tinggi: ~R/Rj = P erUbahan tahanan listrik suatu bahan penghantar

(konduktor) karena pengaruh medan luar, yaitu ketergantungan sifat kelistrikan oleh medan magnit, secara umum dinamakan Magnetoresistan (MR = Magneto Resistance). Penyebab dari gejala ini dapat berbeda dari satu material ke material lainnya, tergantung pacta jenis dan struktur bahan. Pacta

penghantar non-magnetik, efek terse but berasal dari gaya Lorentz, di mana medan magnit mempengaruhi elektron yang sedang bergerak, perubahan tahanan di sini sangat kecil, kira-kira 1,3 x 10.3 %/kOe(I). Untuk bahan yang bersifat magnetik, khususnya dalam bentuk lapisan tipis (thin film) maka efek polarisasi dari spin (spin-up dan spin down) memberikan kontribusi yang besar terhadap MR. Pacta bahan ferromagnetik, besamya tahanan listrik bergantung dari arah magnetisasi

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teklnologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

(2)

ISSN 0216-3128

59

Tri Mardji Atmono, dkk.

tegangan bias (ground-positzon). Sebagai sputtergas digunakan Argon dengan kemumian tingi 99,995%. Gas argon yang terionisasi oleh tegangan RF menghasilkan ion-ion argon yang dipercepat dengan tegangan self-bias menuju dan menembaki material target. Partikel dari target ini kemudian terkumpul pacta anoda dan membentuk lapisan tip is di atas

substrat silikon. Paramater sputtering adalah sebagai berikut: tekanan vakum 10-6 robar, tekanan gas argon 10-2 robar, tegangan self bias 1000 V-DC, arus katoda 120 mA (sesuai dengan daya 120 W), jarak elektroda 60 mm dan waktu sputtering disesuaikan dengan sputter-rate untuk memperoleh ketebalan thin film yang dikehendaki. Untuk pengukuran ketebalan digunakan stylus DEKTAK, sedangkan komposisi diuji dengan EDAX. Penelitian perubahan tahanan listrik sebagai fungsi medan magnet luar dilakukan dengan menggunakan metodafour-point-probe dengan tegangan AC pada frekuensi 1 kHz dan arus listrik dalam orde mA. Teknik pacta metode ini adalah CIP (current in plane) dengan medan magnet sejajar bidang lapisan tip is, sejajar dengan arah EA(easy axis), meskipun pacta umumnya tidak acta arah yang jelas dari HA(hard-axis) pacta bidang lapisan tip is untuk sistem lapisan tipis dari logam peralihan, artinya bersifat isotrop. Untuk memperoleh hubungan signal to noise ratio yang besar maka digunakan Lock-in-Amplifier yang sekaligus berfungsi sebagai penguat sinyal. Skema rangkaian untuk pengukuran GMR ditunjukkan pacta Gambar 1. Untuk peng-ukuran besar/sifat magnetisasi M khususnya kurva hysterisis dan gaya koersitiv yang berhubungan

dengan nisbah-GMR, dilakukan penelitian dengan VSM( Vibrating-Sample-Magnetometer).

.

(Rmax-Rj)/Rj, dimana Rmax adalah besarnya tahanan maximal dan Rj adalah tahanan pacta medan besar, dicapai pacta saat orientasi dari magnetisasi sejajar satu terhadap lainnya. Oleh karena adanya perubahan besarnya tahanan sebagai fungsi medan luar, maka efek GMR, khususnya sistem

Spin-Valves dapat diaplikasikan antara lain pacta bidang Magnetoelektronik, diantaranya pengukuran besarnya derajat rotasi pemutaran suatu sistem, perhitungan banyaknya putaran, ketepatan posisi, kecepatan, percepatan daD lain-lain. Aplikasi ini dapat dicapai dengan menggunakan material dari logam peralihan (Ni, Fe, Co) yang dipadu dengan Cu atau Ag dan juga Au untuk membentuk suatu sistem lapisan tipis yang sesuai diatas substrat gelas atai Si, khususnya single kristal (1,0,0). Tentunya diperlukan suatu metode preparasi dengan tujuan menciptakan thin film dengan sifat sesuai dengan tuntutan aplikasinya, yaitu dengan parameter yang sistematis dan reproducible.

Untuk memberikan kontribusi dalam bidang terse but maka telah dilakukan penelitian yang dilaporkan dalam makalah ini, yaitu gejala GMR pacta lapisan tipis logam peralihan Co daD

Permalloy NiFe serta lapisan spacer Cu.

T AT A KERJA DAN PERCOBAAN

Untuk preparasi lapisan tipis digunakan sistem RF-Sputtering dengan target material adalah logam peralihan serta pemisah berupa tembaga mumi yang sekaligus juga merupakan target pada posisi katoda. Sedangkan pada anoda dipasang substrat Si dengan diameter 10 mm, tidak dipasang

Gambar 1. Set-up pera/atan deteksi pada metode pengukuran GMR.

Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar Ilmu Pengetahuan dan T,eknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

(3)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pel1ama kali diteliti ketergantungan

GMR

dari ketebalan lapisan Cu, hasilnya ditampilkan

pacta Gambar 2. Sistem lapisan sebagai cuplikan

adalah : Si/Co-12 nm/Cu-parameter/Co-3

nm/NiO-50 nm. Rate dari gas oksigen untuk membentuk

lapisan antiferromagnetik NiO

pacta proses

sputtering dengan target Ni adalah sebesar

0,8 sccm

yang merupakan angka optimal agar terbentuk

lapisan pinning untuk mengikat lapisan Co seoagai

pinned-layer yang mengapit spacer Cu. Tampak

bahwa gejala GMR adalah paling besar untuk tebal

3 nm. Disini kemungkinan terjadi kopling anti-ferromagnetik (AF-coupling) yang kedua. Sedang-kan pada tebal sekitar 2 nm terjadi koppling ferromagnetik. AF-coupling yang pertama terjadi disekitar t = I nm.

Efek GMR sebagai fungsi daTi ketebalan lapisan Co-free layer ditampilkan pada Gambar 3. Co merupakan salah sam logam peralihan yang bersifat ferromagnet dengan suhu Curie yang relatif tinggi dan gaya koersitiv yang juga relatif besar, tetapi menurun dengan bertambahnya ketebalan.

Gambar 2. Efek GMR sebagaifungsi dari ketebalan

lapisan spacer Cu.

Gambar 3. Efek GMR dar:i lapisan Co sebagaifungsi dari ketebalan.

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

(4)

Tri Mardji Almono, dkk.

_{ISSN 0216-3128}

61

Meskipun lapisan tipis Co yang berdiri sendiri tidak menunjukkan efek GMR, tetapi sebagai salah satu komponen sistem lapisan tipis Si/Co/Cu/Co/NiO, terjadi efek perubahan tahanan Rj (menjadi Rmax) sebagai akibat dari pengaruh medan luar. Efek ini temyata merupakan fungsi dari ketebalan free layer. Tampak pada Gambar 3 bahwa nisbah GMR diperoleh harga maksimal untuk t = 12 nm. Perbedaan dengan Gambar 2 (Cu sebagai fungsi dari ketebalan) adalah bahwa disini tidak muncul efek osilasi dari kopling FM-AFM. Hal ini tentunya berhubungan erat dengan struktur lapisan tipis serta kopling RKKY yang muncul pada Cu(S).

Pada Gambar 4 disajikan hasil pengukuran GMR sebagai fungsi dari medan magnet luar pada lapis an Si/Co-12 nm/Cu-3nm/Co-3 nm/NiO-50'nm. Tahanan awal (Rj) pada sistem lapisan tersebut adalah sebesar 24,8.0.. Tahanan ini diperoleh pada saat medan luar diatas 100 Gauss di mana orientasi dari magnetisasi lapisan Co-12 nm adalah parallel terhadap magnetisasi Iapisan Co-3 nm yang berfungsi sebagai pinned-layer. Medan luar kemudian diturunkan, sampai terjadi proses pembalikan magnetisasi yang menandakan bahwa kedua lapisan Co yang mengapit lapisan tipis Cu saling antiparallel, diperoleh tahanan maksimal

(Rmax). Bila kemudian medan magnet terus diturunkan, kemudian melewati 0 dan kearah negatif, terjadi proses pembalikan magnetisasi dari Co-pinned layer, dicapai orientasi parallel (negatit) dengan nisbah GMR minimal. Proses yang sarna pada Co-free layer akan terjadi pada saat medan luar divariasi dari harga negatif besar menuju nol kemudian ke harga positif besar/jenuh, seperti diperlihatkan pada Gambar 4.

Dari hasil pengukuran ini diperoleh nisbah dari efek GMR sebesar 3,5%. Hasil ini adalah 2 kali lipat dari penelitian oleh Urbaniak dkk.,(6) di mana ketebalan NiO oleh peneliti ini sebesar 20 nm dan Cu setebal 5nm Hasil ini sekaligus memberikan ketebalan optimal dari sistem lapisan Co/Cu/Co /NiO di atas substrat Silikon untuk memperoleh efek GMR yang terbesar.

Gambar 5 adalah kurva hysterisis dari sistem lapisan tipis diatas. Pada medan 15 gauss terjadi pembalikan arab magnetisasi dari lapisan Co-12 nm (merupakan free layer), terbentuk formasi antiparallel dari free-layer tersebut dengan pinned-layer. Kemudian mulai terjadi proses rotasi momen-magnetik (180 derajat) pada 110 gauss dari Co-3 nm yang berarti kembali ke formasi parallel dari magnetisasi pada kedua lapisan tip is.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir

(5)

62 ISSN 0216 -3128 _{Tri Mardji Atmono, dk/(.}

3

2 "3'

~

'td .:2,

~

1

0 Gambar 5. Kurva hysterisis

dari sistem /apisan tipis Si/Co/CuiCo/NiO.

raJa sumbu Y (ordinat) tidak perlu kalibrasi sinyal terhadap magnetisasi karena dalam hal ini tidak diperlukan besarnya nilai mutlak dari mqmen magnetik Terlihat pada Gambar 5 bahwa telah terjadi pergeseran Hc, yaitu bahwa pembalikan arab magnetisasi tidak simetris mengapit sumbu- Y , melainkan pada 75 gauss. Hal ini menandakan bahwa lapisan NiO berfungsi sebagai pinned layer.

Jadi sesungguhnya

besarnya Hc adalah 40 gauss.

Besarnya pergeseran ini diberikan oleh(7) Hp = (l\a)/ M.t

Oi mana Aa adalah energy-exchange antara kedua lapisan, M clan t masing-masing adalah adalah besamya magnetisasi daD ketebalan dari lapisan ferromagnetik Co. Oari hasil pengukuran ini terlihat jelas adanya kopling antara kedua lapisan tip is Co sebagai ji'ee layer daD Co sebagai pinning layer. Lain sekali dengan sistem spin-valves(B), dimana pada sistem tersebut terjadi perbedaan Hc pada kedua lapisan, tanpa adanya kopling (exchange-coupling), meskipun terjadi perubahan gaya koersitiv antara sistem lapisan dengan lapisan tunggalnya. Terbentuknya kopling tersebut juga ditandai dengan kurva GMR yang antisirrietris (bandingkan dengan(B) yang berbentuk simetris), dimana pada saat medan luar Dol sudah terjadi orientasi anti parallel antara momen magnetik dari kedua lapisan tip is. Sedangkan besamya pergeseran gaya koersitiv sangat bergantung dari rate dari gas oksigen pad a saat proses sputtering Ni untuk membentuk lapisan antiferromagnetik NiO clan juga tekanan gas argon, karena disini terjadi proses

reactive-sputering yang sangat kompleks. Dalam experimen, tidak mudah untuk memperoleh medan bias tersebut, artinya hanya dengan parameter yang sangat tertentu saja akan terjadi proses pergeseran dari gaya koersitiv. Pada Gambar di atas terjadinya pergeseran Hc adalah pada saat rate dari oksigen sebesar 0,8 sccm, tegangan self bias sedikit diatas 1000 V-DC, lapisan tipis disusun dalam sistem top-spin-valves (bukan top-spin-valves normal seperti pada 18/) dan sarna sekali tidak muncul untuk sistem bottom-spin-valve.~. Kemungkinan penyebabnya adalah bahwa substrat Si(100) yang sangat ber-pengaruh terhadap terjadinya reactive-sputtering, kemungkinan terbentuknya textur berdasarkan susunan single crystal dari substrat, sehingga bahkan lapisan terse but tidak berfungsi sebagai pinned-layer.

Dalam aplikasinya lapisan yang demikian sangat tepat sebagai sensor magnet untuk medan rendah, karena tahanan listrik sebagai fungsi medan dapat terdeteksi sampai medan yang kecil dalam orde dibawah 20 gauss. Untuk aplikasi ini harus ditentukan daerah linier dari GMR sebagai fungsi dari medan magnet luar.

KESIMPULAN

Pengukuran Magnetoresistan di atas mem-berikan kesimpulan penting dari hasil penelitian ini, yaitu bahwa gejala GMR maksimal pada sistem lapisan Si/Co/Cu/Co/NiO muncul pada saat terjadi kopling Antiferromagnetik an tara free layer dengan pinned layer. Meskipun juga terjadi pada sa at kedua Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Tel<nologi Nukiir

(6)

63

ISSN 0216-3128

Tri Mardji A tmon 0, dkk.

valves FeNi/CulCo, Prosiding PPI

BATAN, 22, 2001.

P3TM

arah magnetisasi

saling parallel, tetapi nisbah GMR

sangat kecil, walaupun resistan

jenuh mencapai

25 o. Hasil terse

but adalah berdasarkan

pengamatan

efek GMR sebagai fungsi lapisan Cu yang diapit

oleh kedua lapisan magnetik Co, dimana ketebalan

3 nm memberikan

basil nisbah 3,5 %. Efek dari NiO

sebagai lapisan antiferromagnetik jelas sekali

fungsinya yang mampu menggeser

gaya koersitiv

dari Co-3 nm, terukur pada kurve hysterisis sebesar

75 gauss. Dipadu dengan

gaya koersitiv sebesar

15 gauss yang dihasilkan oleh Co-12 nm, maka sistem

lapisan ini merupakan kandidat yang tepat dalam

aplikasinya sebagai

sensor

untuk medan

rendah.

TANYAJAWAB

Tjipto Sujitno

-Dalam sistem bilayer MR, atau lebih yang memberi sumbangan sifat magnetik itu pas plida interfacenya atau yang mana.

-Untuk sistem lapisan yang terdiri dari bahan magnetik dan non magnetik, kenapa bisa muncul

GMR.

UCAP AN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Alexander yon Humboldt Foundation yang telah memberikan beasiswa Postdoc untuk penelitian mengenai efek GMR pada Kassel-University-Germany. Kepada pimpinan BAT AN penulis juga mengucapkan terimakasih atas izin yang diberikan untuk mengikuti program Postdoc ini.

DAFTARPUSTAKA

Tri Mardji Atmono

-Kontribusi

terbesar pada efek GMR adalah

hamburan pada interface-layer,

yaitu hamburan

yang bergantung pada polarisasi spin dari

elektron penghantar. Sehingga nisbah GMR

terbesar di alas 20% terjadi pada multi layer,

umpamanya

Co/CuiCo/Cu

atau pada sistem

Cr/Cu.

-Bahan konduktor yang bersifat non magnetik

pada umumnya

digunakan sebagai buffer, seperti

Ti, Au, Ag, dll. Kombinasi material magnetik dan

non magnetik akan menghasilkan GMR yang

besar karena hamburan pada perbatasan buffer

layer yang bergantung

pada spin.

3

4

5 Suryadi

-Bagaimana pengaruh ketebalan Co terhadap

GMR?

-Bagaimana pengaruh suhu terhadap GMR?

Tri Mardji Atmono

-Diperoleh suatu ketebalan Co yang optimum dim ana efek GMR adalah paling besar. Pada penelitian ini, ketebalan optimum untuk fi"ee-layer adalah 12 nm don pinned fi"ee-layer sebe.\"'" 3 nm.