Fisika2015 09 Material 04 B. Anggit Wicaksono

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN978-602-7273-1-9 F-M-5

Ketergantungan Mangneto-Impedansi

Multilayer

[Nife/Cu] dengan

Jumlah Perulangan Lapisan Magnetik dan Ketebalan

Spacer

Cu

B.ANGGITWICAKSONO*),ISMAIL,AHMADASRORINAHRUN,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 ( ) (

%   



H Z

H Z H Z

Z Z

(1)

dengan Z(H) merupakan impedansi

(│Z2│=R2_+X2_{) yang terukur ketika diberikan}

medan magnet luar H, sedangkan

) max (H

Z 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

Ni

80

Fe

20

(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

ISBN978-602-7273-1-9 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

[Ni

80

Fe

20

/ Cu]

N

, serta variasi ketebalan

lapisan

konduktif

(

spacer

)

Cu

pada

[Ni

80

Fe

20

/ 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

2 2

X

R

z





, 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

Substrat Platina

A

V = 3,5 volt

J = 15,5 mA/cm2

4 cm

+

-Elektrolit pembentuk

Cu

Substrat Platina

A

V = 3,0 volt

J = 8 mA/cm2

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN978-602-7273-1-9 _F-M-7

-40 -20 0 20 40

0.007 0.008 0.009 0.01

0.011 N=1 lapis_{N=3 lapis}

N=5 lapis

Z

(

Ω

)

H (mT)

(a)

frekuensi 20 kHz

Ω

40

Ω

-40 -20 0 20 40

0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

0.22 N=1 lapisN=3 lapis

N=5 lapis

H (mT)

Z

(

Ω

)

(b)

frekuensi 100 kHz

Ω _Ω

1 2 3 4 5

20 40 60 80 100

Δ

Z

/

Z

(

Hm

ax

)

(

%

)

f=20 kHz f=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 ac H 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 Nmultilayer [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

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN978-602-7273-1-9 F-M-8

-40 -20 0 20 40

0.006 0.0075 0.009 0.0105 0.012 0.0135

H (mT)

Z

(

Ω

)

y = 200 nm y = 250 nm y = 300 nm y = 350 nm y = 400 nm

(a)

frekuensi 20 kHz

Ω

Δ

40

Ω

)

-40 -20 0 20 40

0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27

H (mT)

Z

(

Ω

)

y = 200 nm y = 250 nm y = 300 nm y = 350 nm y = 400 nm

(b)

frekuensi 100 kHz

Δ

200 250 300 350 400 20

40 60 80 100 120

Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)

Δ

Z

/

Z

(

Hm

ax

)

(O

h

m

)

(c)

f = 20 kHz f = 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

[Ni

80

Fe

20

(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.

S

EMINAR

N

ASIONAL

F

ISIKA DAN

P

EMBELAJARANNYA

2015

ISBN978-602-7273-1-9 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