SIMULASI MIKROMAGNETIK KETERGANTUNGAN
MEDAN REVERSAL TERHADAP ENERGI BARRIER PADA
THERMALLY ASSISTED MAGNETIZATION REVERSAL
Disusun oleh:
ELSA BUDI PRASETYA M0212032
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
ii
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI
Simulasi Mikromagnetik Ketergantungan
Medan Reversal Terhadap Energi Barrier pada Thermally Assisted Magnetization Reversal
Oleh:
Elsa Budi Prasetya M0212032
Telah disetujui oleh:
Pembimbing I
Dr. Eng. Budi. Purnama S.Si., M.Si. Tanggal: ... NIP197311092000031001
Pembimbing II
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan Judul : Simulasi Mikromagnetik Ketergantungan Medan Reversal
terhadap Energi Barrier pada Thermally Assisted Magnetization Reversal
Yang ditulis oleh :
Nama : Elsa Budi Prasetya NIM : M0212032
Telah diuji dan dinyatakan lolos oleh penguji pada : Hari : ...
Tanggal : ...
Dewan Penguji : 1. Anggota Penguji I
Dr. Yofentina Iriani S.Si.,M.Si. ... NIP: 197311092000031001
2. Sekretaris Penguji
Drs. Suharyana M.Si. ... NIP: 196112171989031002
3. Anggota Penguji I
Dr. Eng. Budi Purnama S.Si., M.Si. ... NIP: 197311092000031001
4. Anggota Penguji II
Utari S.Si., M.Si. ... NIP 197012062000032001
Disahkan pada tanggal ... Oleh
Kepala Program Studi Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul “SIMULASI MIKROMAGNETIK KETERGANTUNGAN MEDAN REVERSAL
TERHADAP ENERGI BARRIER PADA THERMALLY ASSISTED
MAGNETIZATION REVERSAL” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya
hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 23 Juli 2017
v MOTTO
“Aku harus hidup sesuai janjiku.
Setidaknya itulah yang sedang aku lakukan saat ini.”
Osamu Dazai
“The one who follows the crowd will usually get no further than the crowd.
The one who walks alone, is likely to find himself in places no one has ever been before”
Albert Einstein
“Aku tidak sebaik apa yang kau ucapkan, tapi aku juga tidak seburuk apa yang terlintas dihatimu”
vi
Simulasi Mikromagnetik Ketergantungan Medan Reversal terhadap Energi Barrier pada Thermally Assisted Magnetization Reversal
ELSA BUDI PRASETYA
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Simulasi mikromagnetik telah dilakukan untuk mempelajari ketergantungan medan reversal, Hrev terhadap energi barrier, ∆E pada thermally assisted magnetization reversal (TAMR). Penelitian dilakukan dengan micromagnetic simulation dengan menyelesaikan persamaan Landau-Lifshitz-Gibert (LLG) untuk 20 kali keadaan magnetisasi yang berbeda. Bahan nanodot beranisotropi tegak lurus dengan ukuran 50х50х20 nm3 dipilih sebagai sel memori magnetik di dalam
magnetic random access memory (MRAM). Evaluasi pembentukan ∆E didapati bahwa kenaikan konstanta anisotopi, Ku meningkatkan nilai ∆E secara linier. Sedangkan kenaikan konstanta magnetisasi saturasi. 4πMs justru menurunkan ∆E
secara akar kuadratik. Konfirmasi penurunan Hrev pada TAMR dilakukan untuk Tw mendekati Tc= 373 K. Dari perbandingan TAMR dan Non TAMR, penurunan Hrev terkonfirmasi pada TAMR. Medan reversal dengan TAMR tercatat 150 Oe pada ∆E = 34,5 kBT. Sedangkan Hrev pada Non-TAMR, 500% lebih besar. Zero field
reversal probability yang merupakan probabilitas nano dot untuk termagnetisasi tanpa medan magnetik, teramati dipengaruhi oleh nilai ∆E. Nilai probabilitas yang tinggi muncul di ∆E yang rendah, kemudian menurun dan hilang pada ∆E= 2348 kBT dan HK= 4 kOe. Sebagai perbandingan probabilitas reversal menunjukkan
hubungan yang berbanding terbalik terhadap medan anisotropi, HK dan ∆E. Pengamatan mikrograf terhadap ∆E dengan zero field reversal probability,
menunjukkan nukleasi domain yang acak kemudian mengalami reversal dalam durasi yang lebih lama. Kaitan zero field reversal probability ekuivalen dengan rendahnya Hrev. Sehingga zero field reversal probability dibuktikan berpengaruh terhadap rendahnya Hrev pada ∆E yang kecil.
vii
Micromagnetic Simulation of Dependency Reversal Field with Energy Barrier on Thermally Assisted Magnetization Reversal
ELSA BUDI PRASETYA
Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT
Micromagnetic simulations has been performed to study the dependence of reversal field (Hrev) against barrier energy, ΔE in thermally assisted magnetization reversal (TAMR). The study was conducted by micromagnetic simulation by solving the Landau-Lifshitz-Gibert (LLG) equation for 20 times different magnetization states. The perpendular nanodot with 50х50х20 nm3 dimension is
considered as single cell of magnetic memory in magnetic random access memory (MRAM). Evaluation of the ΔE value, found that the increase of anisotropy constant (Ku) raise the value of ΔE linearly. While the increase of saturation magnetization constant (4πMs) reduce the ΔE value by radically. Confirmation of Hrev reduction in TAMR is done, for Tw approaching value of Tc = 373 K. With comparison of TAMR and Non TAMR, the decrease of Hrev is confirmed on TAMR. The Hrev with TAMR only 150 Oe at ΔE = 34.5 kBT. While Hrev on Non-TAMR, 500% larger. Zero field reversal probability defined as probability magnetization without a magnetic field on nano dot which influenced by the value of ΔE. High probability values increase at low ΔE, then decrease and disappear at ΔE = 2348 kBT and HK =
4 kOe. In Order to compare, the reversal probabilities show an inverse equivalency toward anisotropic field, HK and ΔE. Micrograph observation of ΔE with zero field reversal probability, showing random domain nucleation and then reversal in longer duration. Betwaan zero field reversal probability and low of Hrev was linked. So the zero field reversal probability is proved to have an effect on the low Hrev on small ΔE.
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur alhamdulilah penulis panjatkan kepada Allah Subhanallahu Wa
Ta’la yang telah melimpahkan rahmat, nikmat, taufik dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Shalawat serta salam tercurah kepada Nabi Muhammad Shallallahu`alaihi Wa Sallam beserta keluarga dan sahabatnya.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “Simulasi Mikromagnetik Ketergantungan Medan Reversal terhadap Energi Barrier pada Thermally Assisted Magnetization Reversal”. Terselesaikannya penulisan Skripsi ini adalah kebanggaan bagi saya.
Lebih dari satu semester penulis selalu berjuang untuk dapat menyelesaikan Skripsi ini tepat waktu. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya Skripsi ini terselesaikan juga. Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis ucapkan banyak terima kasih. Dalam penyusunan laporan Skripsi ini penulis banyak mendapatkan bantuan baik materi maupun moral dari berbagai pihak, oleh sebab itu penulis ingin mengungkapkan rasa terima kasih kepada:
1. Ayah, ibu dan adik Elvi Budi Prasetyani atas kasih sayang dan didikan selama ini. Bagi penulis keluarga adalah harta paling berharga yang penulis miliki.
2. Bapak Dr. Eng. Budi Purnama S.Si., M.Si selaku pembimbing I yang memberikan pengaruh besar dalam memberikan ilmu, petunjuk dan bimbingannya. Semoga beliau selalu diberi rahmat Allah Subhanallahu Wa
Ta’la dan selalu berlimpah pahala.
ix
4. Teman teman seperjuangan Grup Sensor Magnetik dan Material: Regina, Julian, Errinda, Nilam, Khoir, Mas Frendi, & Mas Wahyu yang bersama-sama berdiskusi dan bertukar informasi.
5. Sahabat sahabat: Tri, Febri, Salafudin, Agung, Ega, Eva, Yoshua, Diani, Irwan, Andri, Ryo, Rio, & R. Kusuma yang selalu memberikan motivasi untuk menyelesaikan studi S1.
6. Norma Vita, seseorang yang spesial memberi semangat kepada penulis dari tempat yang tak terduga selama kuliah di UNS.
7. Semua pihak yang tidak dapat dicantumkan satu persatu oleh penulis karena juga memberikan kontribusi yang beraneka macam dan sangat berharga. Semoga amal mereka mendapatkan balasan dari Allah Subhanallahu Wa Ta’la
dengan berlipat ganda.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini bukanlah tanpa kelemahan, untuk itu kritik dan saran sangat diharapkan. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembacanya.
Surakarta, 23 Juli 2017
x PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya dengan judul “Simulasi Mikromagnetik Ketergantungan Medan Reversal terhadap Energi Barrier pada Thermally Assisted Magnetization Reversal ” telah dipublikasikan pada International Conference On Science And
xi DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN PERNYATAAN ... iv
2.7. Persamaan Landau-Liftshitz Gilbert ... 12
2.8. Energi Barrier ... 13
2.9. Thermally Assisted Magnetization Reversal ... 15
2.10. Magnetic Random Access Memory ... 16
BAB III METODE PENELITIAN ... 17
3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ... 17
3.2.Alat dan Bahan ... 17
3.3.Prosedur Penelitian ... 18
3.3.1.Penentuan Dimensi Nano dot ... 18
3.3.2.Penentuan Parameter Fisis untuk TAMR ... 19
3.3.3.Evaluasi Pembentukan Energi Barrier ... 20
3.3.4.Investigasi Penurunan Medan Reversal karena Suhu Penulisan ... 20
3.3.5.Investigasi Ketergantungan Energi Barrier terhadap Medan Reversal ... 21
xii
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 22
4.1. Evaluasi Pembentukan Energi Barrier ... 22
4.1.1.Variasi Konstanta Anisotropi ... 22
4.1.2.Variasi Konstanta Magnetisasi Saturasi ... 24
4.2. Investigasi Penurunan Medan Reversal karena Suhu Penulisan ... 25
4.3. Investigasi Ketergantungan Energi Barrier terhadap Medan Reversal ... 31
BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN... 32
1.1.Kesimpulan... 32
1.2.Saran ... 33
DAFTAR PUSTAKA ... 34
LAMPIRAN ... 37
1. Data Penghitungan ∆E dengan Variasi Ku dan Faktor Q... 37
2. Data Penghitungan ∆E dengan Variasi 4πMs ... 38
3. Data Besar Hrev untuk variasi nilai Tw ... 40
4. Data Probabilitas Magnetisasi Reversal 34,43 , 2322,82 , 3140,19 kBT ... 40
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1.Momen magnet orbital dan momen magnet spin ... 6
Gambar 2.2 Magnetisasi yang terjadi pada (a) diatas suhu Curie (b) diantara suhu Curie (c) di suhu rendah dan dibawah suhu Curie (d) pada suhu 0 K ... 7
Gambar 2.3 Kurva Histerisis ... 8
Gambar 2.4 Energi barrier dianalogikan sebagai perubahan keadaan terhadap waktu ... 14
Gambar 2.5 Skema MRAM beranisotropi tegak lurus ... 16
Gambar 3.1 Alur prosedur penelitian dalam simulasi mikromagnetik ... 18
Gambar 3.2 Ilustrasi bentuk nano dot yang memiliki anisotropi tegak lurus .... 19
Gambar 4.1 Tipikal profil ∆E untuk 2 nilai Ku, 4х104 dan 8х 104 erg/cm3 ... 22
Gambar 4.10Pola magnetisasi reversal hasil visualisasi mikrograf untuk ∆E = 34,51 kBT dan ∆E = 2322,82 kBT. ... 30
xiv
DAFTAR SIMBOL
Simbol Definisi Satuan cgs Konversi ke SI
α = Konstanta Gilbert
α = Koefisien aktivasi termal
𝐵 = Kuat Induksi Magnetik G 10-4 T
𝛾 = Konstanta gyromagnetik 1.76×107/Oe.s Rad.s.T
𝑔 = Faktor Lande-g 2.002319 2.002319
ℎ = Konstanta Planck 6,626×10-41 erg/s 6,626×10-34 J/s ħ = Konstanta Planck per 2π 1,054×10-41
erg.s/Rad
𝑗 = Bilangan kuantum total 𝐽 = Momentum sudut
total
erg/G 10-3 A/m2
𝑘𝐵 = Konstanta Boltzmann 1.381×10-30 erg/K 1.381×10-23 J/K 𝐾𝑢 = Konstanta anisotropi erg/cm3 10-13 J/m3 = parameter dampak
𝑙 = Bilangan kuantum orbital
xv
Simbol Definisi Satuan cgs Konversi ke SI
𝜇𝐵 = Magneton Bohr 0,927х10-20
𝑛 = Bilangan kuantum utama 𝑠 = Bilangan kuantum spin
𝑆 = Momen magnetik spin erg/G 10-3 A/m2
τ = Keboleh jadian lompatan energi
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1. Data Penghitungan ∆E dengan Variasi Ku dan Faktor Q ... 37 Lampiran 2. Data Penghitungan ∆E dengan Variasi 4πMs dan Faktor Q ... 38 Lampiran 3. Data Besar Hrev untuk Variasi Nilai Tw ... 40 Lampiran 4. Data Probabilitas Magnetisasi Reversal 34,43, 2322,82 dan
3140,18 kBT ... 40
