Fisika2015 09 Material 02 Ahmad Asrori Nahrun

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-1

Penumbuhan

multilayer

[NiFe/Cu] dengan metode elektrodeposisi

sebagai bahan dasar sensor magneto-impedansi

AHMAD ASRORI NAHRUN*),ISMAIL,B.ANGGIT WICAKSONO,MUHAMMAD AMIRUDIN,NURYANI,BUDI PURNAMA**)

Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret. Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Surakarta

E-MAIL:*)_{asrori_nahrun@yahoo.com,} **_{bpurnama@mipa.uns.ac.id} *)_{PENULIS KORESPONDEN}

TEL:+62-271-669017;FAX:+62-271-669017

ABSTRAK: Telah dilakukan penumbuhan multi-lapis (multilayer) dengan struktur [Ni80Fe20/Cu]N pada substrat kawat Cu sebagai bahan dasar pembuatan sensor magneto-impedansi. Proses elektrodeposisi dilakukan pada suhu ruang dengan elektrode Pt. Karakteristik XRF menegaskan bahwa lapisan tipis magnetik permalloy telah terbentuk diindikasi dengan komposisi unsur nikel (Ni) dan besi (Fe) adalah 80 : 20. Hasil ini diperkuat dengan hasil analisis XRD bahwa puncak spektral terbentuk pada sudut 2 = 43,367 bersesuaian dengan bidang Miller (hkl) = (111). Karakteristik spektral XRD ini merupakan spektral dari unsur permalloy. Aplikasi sampel multi-lapis [Ni80Fe20/Cu]N sebagai sensor magneto-impedansi membuka peluang potensi pemanfaatan sebagai sensor magnetik dengn sensitifitas tinggi pada substrat fleksibel.

Kata Kunci:Multi-lapisan, Permalloy Ni80Fe20,spacer Cu, Magneto-impedansi.

PENDAHULUAN

Aplikasi dari sensor magnet sudah merambah di segala devais elektronika. Secara konvensional, sensor magnet digunakan pada pembacaan data head sistem recording seperti piringan hitam, tape recording dan saat ini hard disk.

Salah satu material yang banyak digunakan sebagai material sensor adalah permalloy (Ni80Fe20). Hal ini mengingat

karakteristik unggul dari permalloy yaitu medan koersif dan magnetostriksi yang rendah. Kedua karakteristik magnetik ini menjadi tuntutan guna merealisasikan sensor dengan sensitifitas tinggi (Gupta dkk, 2008).

Pada makalah ini, studi penumbuhan multi-lapisan tipis permalloy disajikan. Metode penumbuhan yang digunakan adalah elektro-deposisi, sedangkan substrat yang dipakai adalah lempeng PCB tembaga. Sedangkan kinerja multi-lapisan tipis permally sebagai sensor magnet diamati melalui pengamatan magneto-impedansi (MI) (Ripka, 2001). Sampel multi-lapisan tipis yang diperoleh dikarakterisasi dengan menggunakan XRF, XRD dan pengukuran

fenomena MI berbasis metode empat titik (four point probe).

METODE PENELITIAN

Prosedur deposisi lapisan tipis yang digunakan adalah metode elektrodeposisi yaitu dengan mengalirkan arus pada dua elektrode dalam larutan elektrolit sehingga ion-ion atom elektrolit terdisosiasi dan menempel pada substrat. Kawat Pt (Platina) dipakai sebagai elektrode dan substrat Cu dipakai sebagai elektrode dimana ion-ion terdeposisi sebagai lapisan tipis. Mula-mula, laju deposisi ditentukan untuk masing-masing

lapisan dengan menggunakan

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-2

0

500

1000

1500

0

2000

4000

6000

8000

10000

Waktu (Detik)

K

et

eb

al

an

(

n

m

)

Ni80Fe20 [image:2.595.68.528.80.673.2]

Cu

Gambar 1. Grafik ketebalan sebagai fungsi waktu dengan slope/kemiringan kurva menunjukkan laju deposisi yaitu 2 nm/s

untuk NiFe dan 6 nm/s untuk Cu

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses penentuan laju deposisi ini dengan melakukan elektrodeposisi Ni-Fe dan Cu pada substrat PCB dengan luasan deposisi 11 cm. Untuk deposisi Ni-Fe menggunakan tegangan dc sebesar 3,5 volt, dengan rapat arus 15,5 mA/cm2_.

Sedangkan untuk Cu menggunakan tegangan dc sebesar 3 volt dengan rapat arus 8 mA/cm2_{. Grafik ketebalan sebagai}

fungsi waktu ditampilkan pada Gambar 1. Laju deposisi ditunjukkan dari kemiringan kurva tersebut. Dari analisis grafik diperoleh perkiraan laju deposisi Ni-Fe adalah 2 nm/s dan C adalah 6 nm/s. Untuk menentukan komposisi unsur yang terdeposisi pada substrat, karaketerisasi XRF telah dilakukan (grafik tidak ditampilkan). Hasil yang diperoleh, komposisi atom Ni dan Fe pada lapisan tipis Ni-Fe yang terbentuk adalah 80 : 20. Hasil ini menegaskan bahwa sampel lapisan tipis yang terbentuk adalah permalloy.

Untuk memastikan bahwa

permalloy telah terbentuk, struktur kristal lapisan dikarakterisasi dengan XRD. Spektral XRD hasil karakterisasi ditunjukkan pada Gambar 2.

Grafik 2 merupakan grafik analisis XRD dari lapisan tipis Ni80Fe20 dengan

ketebalan 1800 nm yang dideposisikan dengan metode elektrodeposisi pada substrat Cu. Grafik (a) merupakan grafik XRD untuk substrat Cu, dan grafik (b) merupakan grafik XRD untuk lapisan NiFe di atas substrat PCB Cu. Berdasarkan JCPDS sampel Cu No. 04.0836, puncak spektral XRD pada sudut 2 = 43,367 bersesuaian dengan bidang Miller (hkl) = (111) dan sudut 2 = 50,510o bersesuaian dengan bidang Miller (hkl) = (200). Jelas termati dari Gambar 4.3 (b) bahwa spektral XRD yang muncul merupakan kombinasi dari unsur Cu dan elemen/alloy lain yang terbentuk saat elektrodeposisi. Alloy berstruktur fcc yang terbentuk diindikasikan dari puncak karakteristik spektral XRD pada sudut 2 = 44,396 bersesuaian dengan bidang Miller hkl (111) adalah permalloy Ni80Fe20

(Rijks, 1996).

Setelah sampel dibuat, maka sampel diuji karakteristik perubahan impedansi dengan medan magnet (H). Pengukuran dilakukan pada suhu ruang, dengan arah medan magnet (H) sejajar arah panjang sampel. Hasil pengukuran dapat ditunjukkan Gambar 3.

30 40 50 60

Ni80Fe20/Cu

In

te

n

si

ta

s

(a

.u

)

Cu

Ni80Fe20 (111)

2θ(derajat)

(111)

(200)

Gambar 2. (a) Spektral difraksi sinar-x dari substrat Cu PCB (b) Spektral difraksi sinar-x dari lapisan tipis Ni80Fe20 dengan

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN 978-602-7273-1-9 _F-M-3 Teramati dengan jelas karakteristik

simetri dari kurva magneto-impedansi. Saat medan H = 0, impedansi listrik menunjukkan nilai maksimum. Kemudian nilai impedansi berangsur-angsur turun dengan kenaikan medan dan mencapai nilai jenuh sekitar 30 mT. Rasio magnetoimpedansi dapat dihitung dengan rumus Z/Z = [Z(H)-Z(Hmax)]/ Z(Hmax)

diperoleh nilai rasio magneto-impedansi sebesar 95%. Hasil ini mengindikasikan bahwa sampel multi-lapisan yang dibuat sesuai untuk aplikasi sensor medan magnet.

KESIMPULAN

Telah dilakukan penumbuhan multi-lapis (multilayer) dengan struktur [Ni80Fe20/Cu]N pada substrat kawat Cu

sebagai bahan dasar pembuatan sensor

magneto-impedansi. Proses

elektrodeposisi dilakukan pada suhu ruang dengan elektrode Pt. Karakteristik XRF menegaskan bahwa lapisan tipis magnetik permalloy telah terbentuk diindikasi dengan komposisi unsur nikel (Ni) dan besi (Fe) adalah 80 : 20. Hasil ini diperkuat dengan hasil analisis XRD bahwa puncak spektral terbentuk pada sudut 2 = 43,367 bersesuaian dengan bidang Miller (hkl) = (111). Karakteristik spektral XRD ini merupakan spektral dari unsur permalloy. Aplikasi sampel multi-lapis [Ni80Fe20/Cu]N sebagai sensor

magneto-impedansi membuka peluang

potensi pemanfaatan sebagai sensor magnetik dengn sensitifitas tinggi pada substrat fleksibel.

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.

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.

Gupta, R., Gupta, M., Gutberlet, T., 2008. Magnetization in Permalloy Thin Films. Jurnal of Physics, Vol. 71, No. 5, pp. 1123-1127.

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.

Kuzminski, M., Nesteruk, K., Lachowicz, H.K., 2008. Magnetic Field Meter Based on giant Magnetoimpedance Effect. Sensors and Actuators, Vol. 141, pp. 68-75.

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.

Uchiyama, T., Mohri, K., Honkura, Y., and Panina, L.V., 2012. Advances of

Pico--40 -20 0 20 40

0.004 0.005 0.006 0.007 0.008

N

H

(mT)

Z

(O

h

m

)

Δ

Z

/

Z

(

H

)

(

%

)

[image:3.595.70.529.61.774.2]

Δ

Gambar 3. Karakteristik kurva magneto-impedansi sampel [Ni80Fe20(800

nm)/Cu(150 nm)]3 dievaluasi pada f

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN 978-602-7273-1-9 _F-M-4 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.

Zhong, Z., Zhang, H., Jing, Y., Tang, X., Liu, S., 2008. Magnetic Microstructure

and Magnetoimpedance Effect in