54 BAB III
PELAKSANAAN PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Waktu penelitian dilakukan pada bulan Juli 2021 sampai dengan Januari 2022 di ruang Laboratorium Eksperimen Fisika Gedung Laboratorium Teknik 1 Institut Teknologi Sumatera.
3.2. Jenis Data
Jenis data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data kuantitatif dengan perhitungan (density functional theory) DFT, yaitu suatu metode yang bertujuan untuk menghitung dan menganalisis data menggunakan perhitungan first principle yang memanfaatkan pendekatan DFT dan dikembangkan dengan program CPVO. Simulasi perhitungan pada program CPVO dirancang untuk menghitung magnetic anisotropy energy (MAE) dari material feromagnetik dua dimensi (2D) monolayer CrI3
berdasarkan data parameter yang telah ditentukan. Data parameter yang digunakan untuk penelitian material feromagnetik 2D CrI3 dengan CPVO pada penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Data parameter yang digunakan dalam input file struktur monolayer CrI3.
Parameter Nilai
Material CrI3
Lattice constant (Å) 6,859512 [12]
Fungsi exchange-correlation PBE-GGA skalar relativistik [23]
Fungsi exchange-correlation PBE-GGA relativistik penuh [23]
Massa atom Cr (a.u.) 51,996 [29]
Massa atom I (a.u.) 126,90 [29]
Cutoff energi kinetik untuk fungsi
gelombang (Ry) 48
Charge density (Ry) 457
55 3.3. Alat dan Perangkat Lunak
Alat yang digunakan dalam mengolah dan menganalisis data pada penelitian ini adalah
1. Laptop dengan spesifikasi sebagai berikut:
a. Sistem operasi linux: Ubuntu 20.04.2 LTS 64-bit
b. Processor Intel® Core™ i5-5300U CPU @ 2.30GHz (4CPUs) c. Memori 7,5 GiB
2. Cluster computer (mic) 4 nodes masing-masing 20 cores, Division of Mathematical and Physical Science, Kanazawa University, Japan.
3. Program Car-Parrinello Vanderbilt Oda (CPVO) [30] [31] [32] yaitu rangkaian terintegrasi dari komputer untuk perhitungan struktur elektronik dan pemodelan material pada skala nano. CPVO merupakan program yang dibuat berdasarkan pada DFT, plane waves, dan pseudopotential.
4. Software Visualization for Electronic and Structural Analysis (VESTA) [33], sebagai perangkat lunak pendukung untuk program visualisasi tiga dimensi untuk morfologi kristal CrI3, model struktural CrI3, dan menentukan unit atom CrI3.
5. Software X-window Crystalline Structures and Densities (XCrysDen) [34], sebagai perangkat lunak pendukung untuk menampilkan isosurface dan kontur, pada struktur kristal CrI3 diputar dan dimanipulasikan secara interaktif dari input file dan hasil output file.
6. Gambar grafik dibuat dengan bahasa pemrograman python dan gnuplot.
56 3.4. Analisis Data
Penelitian ini menggunakan perhitungan first principle yang memanfaatkan pendekatan DFT, khususnya untuk membangun model dengan menghitung MAE yang dievaluasi dengan mempertimbangkan magnetocrystalline anisotropy energy (MCAE) dalam material feromagnetik 2D CrI3 dan mekanisme besar kecilnya MCAE dengan program CPVO. CPVO merupakan rangkaian terintegrasi dari komputer untuk perhitungan struktur elektronik dan pemodelan material pada skala nano dan merupakan program yang dibuat berdasarkan pada DFT, plane waves, dan pseudopotential. Penelitian ini berkaitan dengan aplikasi perhitungan DFT untuk menghitung MCAE pada material feromagnetik 2D CrI3. Tujuannya adalah untuk mengembangkan model prediktif yang kuat khususnya untuk menghitung nilai MCAE dan mekanisme besar kecilnya nilai MCAE dalam material feromagnetik 2D CrI3. Semua perhitungan dilakukan berdasarkan kerangka teori DFT dengan PBE berfungsi dalam GGA yang diterapkan dalam program CPVO, serta basis sets yang diterapkan yaitu plane waves.
3.5. Metode Komputasi
3.5.1. Struktur Kristal Material Feromagnetik 2D Monolayer CrI3
Monolayer CrI3 terdiri dari tiga lapisan atom, yaitu lapisan tengah antara dua lapisan atom yodium adalah lapisan atom Cr, dimana setiap atom Cr dikelilingi oleh enam atom yodium tetangga terdekat. Tampak atas struktur monolayer CrI3 membentuk susunan sarang lebah atom Cr. Ilustrasi struktur atom monolayer CrI3 dapat dilihat pada Gambar 3.1.
57
Gambar 3.1. (a) Ilustrasi skema tampak atas struktur monolayer CrI3, membentuk susunan sarang lebah. Atom kromium berwarna merah muda sedangkan atom yodium berwarna hijau. (b) Struktur unit sel monolayer CrI3: ikatan Cr – I, terdiri dari 2 atom Cr dan 6 atom I. (c) Tampak samping struktur monolayer CrI3feromagnetik, panah merah menunjukkan magnetisasi out-of-plane yang mengarah ke arah +z. (d) Ion Cr oktahedral dengan enam ion yodium.
3.5.2. Metodologi Komputasi
Selanjutnya merupakan metodologi umum komputasi pada penelitian ini yang sistemnya ditunjukkan pada Gambar 3.2. Tahap perhitungan dasar self-consistent field (SCF) berkaitan dengan proses pencarian fungsi gelombang dengan energi paling rendah dari suatu sistem, sampai perubahan energi totalnya tidak terlalu banyak (self- consistent atau konvergen). Kemudian, cutoff energi kinetik merupakan batas perhitungan momentum maksimum pada fungsi gelombang. Dalam proses penentuan cutoff energi kinetik yang terbaik cukup penting dilakukan karena akan mempengaruhi level energi dari perhitungan yang dilakukan, dengan fungsi gelombang partikel- tunggal Kohn-Sham yang diperluas dalam basis set plane wave, dan nilai cutoff energi kinetik yang dioptimalkan adalah 48 Ry. Selanjutnya, kisi titik-k (k-point)
58
dioptimalkan dengan menguji konvergensi monolayer CrI3, dan nilai titik-k (k-point) yang dioptimalkan adalah 5 5 1 . Setelah perhitungan SCF, konvergensi total energi dan cutoff energi kinetik, dan konvergensi total energi dan titik-k (k-point) telah dilakukan, tahap selanjutnya menghitung density of state (DOS) atau distribusi tingkatan energi pada sistem, yaitu untuk melihat bagaimana distribusi kebolehjadian dari elektron tinggal pada energi-energi tertentu. Selanjutnya tahap struktur elektronik (band structure) merupakan keadaan level energi pada arah momentum tertentu.
Setelah itu, menghitung nilai MCAE dan atomik MCAE pada material feromagnetik 2D monolayer CrI3.
59
Gambar 3.2. Diagram alir metode komputasi dari sistem yang digunakan.
60
Selanjutnya merupakan prosedur komputasi dalam perhitungan dasar SCF pada program CPVO yang ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Diagram alir prosedur komputasi dalam perhitungan dasar SCF.
61
3.5.3. Perhitungan Magnetocrystalline Anisotropy Energy
Magnetocrystalline anisotropy energy (MCAE) dihitung menggunakan dua metode, yaitu dari total energi dan grand-canonical force theorem. Pertama, MCAE dihitung termasuk dalam interaksi spin-orbit interaction berdasarkan perbedaan total energi antara magnetisasi di sepanjang bidang (in-plane) dan tegak lurus dengan bidang (out- of-plane). Total energi tergantung pada arah magnetisasi, dimana arah magnetisasi disajikan sebagai [001], [100] atau [010]. Akhirnya, MCAE diperoleh dengan mengambil perbedaan total energi antara orientasi magnetisasi in-plane dan out-of- plane sebagai MCAE=E[100]tot −E[001]tot . Arah [001] (arah sumbu-z) menunjukkan arah magnetisasi tegak lurus (out-of-plane) terhadap bidang kristal, arah [100] (arah sumbu- x) menunjukkan arah magnetisasi sejajar (in-plane) terhadap bidang kristal [35].
Kedua, dalam pendekatan grand-canonical force theorem, MCAE dihitung dengan mempertimbangkan spin-orbit coupling (SOC) yang diperoleh dengan melakukan prosedur dua langkah; pertama, dengan perhitungan yang sepenuhnya self-consistent untuk kasus kolinear dengan pseudopotential skalar-relativistik (tanpa SOC) untuk mendapatkan distribusi kerapatan elektron (charge density) dan spin momen di ruang- nyata (real space); kedua, dengan membekukan potensial (freezing potential) kerapatan elektron, SOC diperlakukan sebagai gangguan dalam perhitungan non-self- consistent menggunakan pseudopotential penuh-relativistik pada arah magnetisasi yang berbeda, yakni masing-masing arah magnetisasi mengarah sejajar (in-plane) dan tegak lurus (out-of-plane) dengan bidang. Dalam pendekatan grand-canonical force theorem) dapat melihat kontribusi nilai MCAE dari atom-resolved and k-resolved. k- resolved MCAE atau atom-resolved MCAE diberikan oleh perbedaan energi antara arah magnetisasi [100] atau [010] dan [001] menggunakan persamaan:
62
MCAE( )=δk ESDFTgf,[100]( )-δk ESDFTgf,[001]( ),k (3.1)
MCAE( )=δI ESDFTgf,[100]( )-δI ESDFTgf,[001]( ),I (3.2)
MCAE( , )=δI k ESDFTgf,[100]( , )-δI k ESDFTgf,[001]( , ),I k (3.3)
dimana I merupakan atomic-resolve, k adalah k-resolve, dan (I, k) merupakan atomic orbital k-resolve. Dari perhitungan k-resolved MCAE dapat menunjukkan bahwa kontribusi nilai positif dan negatif hanya diamati di daerah tertentu di zona Brillouin pertama (first Brillouin zone) 2D [35].
Dengan demikian, MCAE bernilai positif atau negatif menunjukkan bahwa sumbu magnetisasi mudah tegak lurus (out-of-plane) atau sejajar (in-plane) dengan lempengan [10]. Semua perhitungan komputasi dilakukan berdasarkan kerangka DFT dengan fungsi exchange-corelation yang didefinisikan menggunakan GGA-PBE dan diterapkan dalam program CPVO.
63 3.6. Diagram Alir Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan proses yang sesuai dengan skema alur penelitian yang ditunjukkan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Diagram alir penelitian dan pengolahan data.
64 3.7. Langkah Penelitian
Langkah-langkah penelitian yang dilakukan sebagai berikut:
1. Mengidentifikasi topik penelitian dengan melakukan studi literatur dari jurnal penelitian.
2. Megunduh crystallographic information file (CIF) material CrI3, kemudian membuat struktur monolayer CrI3 menggunakan software VESTA.
3. Menganalisis data dan parameter dari material CrI3.
4. Membuat input file PWscf material feromagnetik CrI3, dengan memasukkan data dan parameter yang sudah disiapkan ke dalam skrip program pada aplikasi text editor dan disimpan, untuk perhitungan konvergensi total energi dan ecut, konvergensi total energi dan k-point menggunakan program Quantum ESPRESSO.
5. Menghitung input file yang telah dibuat pada program CPVO, untuk perhitungan struktur elektronik dan MCAE.
6. Mecatat dan menganalisis hasil data yang diperoleh dari hasil keluarannya.
7. Membuat grafik kemudian menganalisis, dan menampilkan gambar hasil perhitungan.
