commit to user
Disusun Oleh :
SHIBGHATULLAH MUHAMMADY M0209050
SKRIPSI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user
NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY
Disusun Oleh :
SHIBGHATULLAH MUHAMMADY M0209050
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul
“SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO
-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY” 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 gelas 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, Januari 2013
commit to user iv
MOTTO
Tidaklah Allaah –‘Azza wa Jalla- Ciptakan jin dan manusia melainkan untuk
beribadah kepadaNya dengan mentauhidkanNya
Tidaklah Allaah –‘Azza wa Jalla- Ciptakan langit dan bumi, serta seisinya dengan
sia-sia. Semua itu tanda-tanda kekuasaanNya bagi orang yang berfikir.
Tidaklah seseorang dianggap bersyukur hingga dia bersyukur atau berterima kasih
commit to user v
PERSEMBAHAN
Karya ini saya persembahkan untuk :
1. Ayah dan Ibu, terima kasih atas doa dan dukungannya
2. Kakak dan adikku tercinta
3. Pembimbing tugas akhir ini, Pak Budi dan Pak Suharyana, yang telah
membimbing dan memberi arahan
4. Kakak tingkat, adik tingkat dan angkatan 2009, semoga karya ini bermanfaat dan
berguna sebagai inspirasi bagi kita semua.
5. Almamater saya, terkhusus Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas
Maret, semoga ini menjadi karya yang bermanfaat dan menjadi inspirasi bagi
commit to user
vi
SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY
SHIBGHATULLAH MUHAMMADY
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Simulasi mikromagnetik digunakan untuk mengamati tipe nukleasi pada proses magnetisasi reversal nano-partikel permalloy dengan polarisasi magnetik seragam. Sebuah medan eksternal diterapkan pada nanopertikel dengan arah berlawanan dengan orientasi magnetisasi. Kemudian, medan eksternal tersebut ditingkatkan secara linier terhadap lama waktu sapuan medan eksternal tersebut. Evaluasi mekanisme reversal dilakukan untuk variasi waktu sapuan, variasi redaman Gilbert (α), variasi konstanta tukar (A), variasi ukuran partikel, variasi ketebalan nano-partikel, dan variasi sudut antara orientasi medan eksternal dengan orientasi magnetisasi awal.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa energi aktivasi (Ea) dan medan reversal (Hsw) menurun secara eksponensial terhadap waktu dengan dominasi Neel wall pada tipe nukleasinya. Hasil variasi α menunjukkan ketergantungan Hsw yang linier terhadap α, berbeda dengan Ea yang cenderung turun. Pasangan vorteks muncul dengan waktu nukleasi yang berbeda. Variasi konstanta tukar menghasilkan kecenderungan Ea dan Hsw yang linier terhadap A. Tipe nukleasinya didominasi dengan konfigurasi pasangan vorteks dengan waktu kemunculan yang berbeda. Variasi sudut memberikan nilai minimum Ea dan Hsw pada sudut 200 – 300. Konfigurasi vorteks muncul sebelum sudut 500.
Berkaitan dimensi, variasi ukuran memberikan suatu kondisi maksimum, baik
Ea maupun Hsw pada ukuran nano partikel 40 nm saat konfigurasi vorteks mulai muncul. Untuk variasi ketebalan, Ea mempunyai nilai maksimum ~2,6 × 106 erg berbeda dengan Hsw yang turun setelah melewati nilai puncak ~4 kOe. Konfigurasi vorteks dan antivorteks muncul pada ketebalan 30 nm dan 60 nm dengan kondisi yang berbeda baik waktu nukleasi keduanya maupun formasi keduanya.Pada ketebalan 30 nm, vorteks dan antivorteks muncul secara berurutan. Akan tetapi, pada ketebalan 60 nm, vorteks dan antivorteks muncul bersamaan membentuk pasangan vorteks-antivorteks pada rentang waktu tertentu.
commit to user
vii
MICROMAGNETIC SIMULATION OF REVERSAL MAGNETIZATION ON PERMALLOY MAGNETIC NANO-PARTICLE
SHIBGHATULLAH MUHAMMADY
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
Physics Department, Faculty of Mathematics and Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT
Micromagnetic simulation was used to investigate nucleation types in reversal magnetization process on Permalloy nano-particle with uniform magnetic polarization. An external field was applied on nano-particle opposite directed to magnetization orientation. After that, the external field was increased linerly to sweeping time of the external field. Evaluation of reversal mechanism was performed for sweeping time variation, Gilbert atenuation (α) variation, exchange constant (A) variation, nano-particle size variation, nano-particle thickness variation, and degree variation expressing between external field and initial magnetization orientation.
Result of micromagnetic simulation shown that activation energy (Ea) and reversal field (Hsw) decreased exponentially to time with Neel wall domination on its nucleation type. Result of α variation shown that Hsw dependence to α, different with
Ea that tended to decrease. Vortex pair appeared with different nucleation times. For variated exchange constants, tendency of both Ea and Hsw is linierly to A. Its nucleation type is dominated by vortex pair configuration appeared in different nucleation times. Degree variation gave minimum value of both Ea and Hsw at degree of 200– 300. Vortex configuration appeared before degree of 500.
Dimensionally, size variation gave a maximum condition, either Ea or Hsw at nano particle size of 40 nm while vortex configuration begun to appeare. For thickness variation, Ea had a maximum value of ~2.6 × 106 erg, different with Hsw that decreased after surpassed peak value of ~4 kOe. Vortex and antivortex appeared at thickness of 30 nm and 60 nm with different condition, either their nucleation times or their formation. At thickness of 30 nm, vortex and antivortex appeared in sequence. But at thickness of 60 nm, vortex and antivortex appeared together formed vortex-antivortex pair in specific time interval.
commit to user viii
KATA PENGANTAR
Pujian dan rasa syukur dipanjatkan kepada Allaah -Subhaanahu wa Ta’alaa-
Yang telah mengaruniakan nikmat yang tidak dapat terhitung. Dengan nikmatNya
pula, penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi. Semoga shalawat dan salam
senantiasa tercurah atas Rasulullah -shallallaahu ‘alayhi wa sallam-.
Skripsi ini disusun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana
sains yang penulis beri judul “Simulasi Mikromagnetik Magnetisasi Reversal pada
Nano-Partikel Magnetik Permalloy”. Kepada semua pihak yang telah membantu
penulis menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih. Atas
bantuannya selama proses pengerjaan skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus
penulis sampaikan kepada:
1. Dr. Eng. Budi Purnama, S. Si, M. Si selaku Pembimbing I yang telah
mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan arahan dalam
penyusunan skripsi.
2. Drs. Suharyana, M. Sc. selaku Pembimbing II yang telah memberikan
bimbingan dan saran dalam penyelesaian skripsi.
3. Keluargaku tercinta yang senantiasa mendukungku dan memberi semangat.
4. Mahasiswa Fisika, terkhusus angkatan 2009 atas dukungan dan bantuannya.
5. Semua pihak yang telah membantu penulis sehingga laporan penelitian ini
dapat diselesaikan dengan baik.
Semoga Allah –‘Azza wa Jalla- memberikan balasan yang lebih baik atas
kebaikannya. Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam skripsi ini.
Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik membangun guna perbaikan
di masa mendatang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi
commit to user ix
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Simulasi Mikromagnetik Magnetisasi
Reversal pada Nano-Partikel Magnetik Permalloy” telah :
1. Dipublikasikan pada Indonesian Journal of Applied Physics (IJAP) volume 2 No.
2 halaman 164 tahun 2012 dengan judul “Kajian Simulasi Mikromagnetik
Ketergantungan Tipe-nukleasi Magnetisasi Reversal terhadap Waktu pada Nano
Dot Permalloy”
2. Dipresentasikan dalam 3rd Jogja International Conference on Physics 2012 pada
tanggal 19 September 2012 di Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah
Mada dengan judul “Vortex-Antivortex Assisted Magnetization Dynamics in
commit to user x
2.1. Momen Magnetik dan Magnetisasi Bahan Magnetik ... 4
2.2. Ragam Bahan Magnetik ... 8
2.3. Karakteristik Bahan Feromagnetik Permalloy ... 11
2.3.1. Permeabilitas ... 11
2.3.2. Kurva Histerisis, Koersivitas, dan Magnetisasi Saturasi . 11 2.3.3. Pengaruh Suhu terhadap Bahan Feromagnetik ... 12
2.4. Mikromagnetik ... 13
2.4.1. Exchange Interaction ... 13
2.4.2. Anisotropi Magnetokristalin Material ... 14
2.4.3. Medan Demagnetisasi ... 16
2.4.4. Energi Total Sistem Mikromagnetik ... 16
2.5. Domain Magnetik dalam Sistem Feromagnetik ... 17
2.5.1. Asal-Usual Domain Magnetik ... 17
2.5.2. Domain Wall ... 19
2.6. Magnetisasi Reversal dengan Tinjuan Mikromagnetisme ... 21
2.7. Software Simulasi Mikromagnetik ... 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 24
commit to user xi
3.2. Peralatan ... 24
3.2.1. Piranti Keras ... 24
3.2.2. Piranti Lunak Utama ... 24
3.3. Metode Simulasi Mikromagnetik ... 24
3.4. Analisa Data ... 27
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 28
4.1.Definisi Magnetisasi Reversal ... 28
4.2. Variasi Waktu ... 29
4.3. Variasi Redaman Gilbert ... 31
4.4. Variasi Konstanta Tukar ... 34
4.5. Variasi Ukuran ... 36
4.6. Variasi Ketebalan ... 38
4.7. Variasi Sudut H-Ms (θ) ... 42
BAB V PENUTUP ... 44
5.1. Kesimpulan ... 44
5.2. Saran ... 45
DAFTAR PUSTAKA ... 46
commit to user xii
DAFTAR TABEL
commit to user xiii
DAFTAR GAMBAR
halaman
Gambar 2.1. Model Klasik Orbital Elektron yang Mengelilingi Inti ... 5
Gambar 2.2. Skema arah Momen-Momen Magnetik Atom dan Relasi M-H dari Bahan ... 9
Gambar 2.3. Loop Histerisis Tipikal Bahan Magnetik ... 11
Gambar 2.4. Kurva Hukum Curie Bahan Paramagnetik dan Diamagnetik ... 12
Gambar 2.5. Kurva Hukum Curie Bahan Feromagnetik... 13
Gambar 2.6. Hubungan Magnetisasi Saturasi pada Feromagnetik dengan Suhu Curie ... 13
Gambar 2.7. Skema Struktur Domain Magnetik dengan Resultan Momen Magnetik Nol di dalam (a) Kristal Tunggal (b) Polikristal ... 18
Gambar 2.8. Struktur Dasar Domain Magnetik Permalloy ... 18
Gambar 2.9. Skema Bloch Wall ... 19
Gambar 2.10. Skema Monoatomic Domain Wall dan Bloch wall ... 19
Gambar 2.11. Skema Domain Closure ... 20
Gambar 2.12. Grafik fungsi densitas energi sebagai fungsi ketebalan material magnetik di dalam Bloch wall dan Néel wall ... 20
Gambar 2.13. Skema Domain Wall ... 21
Gambar 2.14. Skema Néel wall (atas) dan Cross-tie wall (Bawah) ... 21
Gambar 2.15. Skema Reversal Berupa Gerakan Vektor Magnetisasi M di Bawah Pengaruh Medan Statik H untuk (A) = 0 dan (B) << 1 ... 22
Gambar 3.1. Skema Finite Element Micromagnetic Modeling dengan Ukuran 50 100 nm ... 24
Gambar 4.1. Ilustrasi Kurva a) Energi Aktivasi (Ea) Sebagai Fungsi Waktu (T) dan b) Medan Reversal sebagai Fungsi Waktu Disertai Mikrograf pada Kondisi Minimum sebelum Reversal dan pada Kondisi Minimum setelah Reversal ... 28
Gambar 4.2. Kurva Energi Aktivasi Ea dan Switching FieldHsw sebagai Fungsi Waktu (t) ... 29
Gambar 4.3. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Waktu Reversal. Garis Tersambung Menandakan Nèel Wall dan Garis Terputus Menandakan Bloch Wall. ... 30
Gambar 4.4. Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi Redaman Gilbert (α)... 31
Gambar 4.5. Kurva Komponen Energi terhadap α saat Ea Diperoleh ... 32
commit to user xiv
Gambar 4.7. Kurva Tipikal Berkaitan Konstanta Tukar (a) Kurva Ea dan
Hsw sebagai Fungsi A (b) Kurva Hsw sebagai Fungsi
Exchange Length lex ... 34 Gambar 4.8. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Konstanta Tukar
dengan Garis Merah Menandakan Vorteks ... 35 Gambar 4.9. Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi Ukuran Nanopartikel ... 36 Gambar 4.10. Tahapan magnetisasi reversal teramati dalam coherent
rotation untuk ukuran 30 nm dan nukleasi-annihilasi
pasangan vorteks (garis merah) untuk ukuran 40 nm dan 70
nm ... 37 Gambar 4.11. Kurva Fungsi Ea dan Hsw sebagai Fungsi Ketebalan ... 38 Gambar 4.12. Mode Reversal untuk Ketebalan 20 nm, 30 nm, dan 50 nm
dengan Néel walls Ditandai dengan Garis Hitam Tegas, Bloch wall Ditandai dengan Garis Putus-Putus, Vorteks Ditandai dengan Garis Merah, dan Antivorteks Ditandai
dengan Garis Kuning. ... 40 Gambar 4.13. Kurva Ea Sebagai Fungsi Sudut H-Ms ... 41 Gambar 4.14. Mode Reversal untuk Sudut H-M untuk sudut 200, 300, dan
commit to user xv
DAFTAR SIMBOL
α : Konstanta redaman Gilbert
γ : Rasio giromagnetik
μB : Magneton Bohr
A : Konstanta tukar (exchenge stiffness)
B : Vektor induksi magnetik
M : Vektor magnetisasi
Heff : Vektor medan efektif
Hd : Vektor medan demagnetisasi
Nd : faktor demagnetisasi
Hex : Vektor medan interaksi tukar
Hk : Vektor medan anisotropi
Ms : Magnetisasi jenuh / saturasi
m0 : Momen magnetik orbital
p0 : Momen magnetik orbital
ms : Momen magnetik spin
ps : Momen magnetik spin
me : massa elektron
χ : Suseptibilitas
J : Vektor momentum angular orbital atom
L : Vektor momentum angular spin atom
S : Vektor momentum total atom
L : Momentum angular orbital atom
S : Momentum angular spin atom
J : Momentum total atom
Edemag : energi demagnetisasi
Etot : energi total magnetik μ0 : permeabilitas ruang vakum
μ : permeabilitas magnetik
T : suhu
TC : suhu Curie
C : konstanta Curie
Vij : energi potensial interaksi Heisenberg
Jij : exchange integral
Si : momentum angular spin atom i
Sj : momentum angular spin atom j εexch : densitas energi interaksi tukar
lexch : exchange length
commit to user xvi
commit to user xvii
DAFTAR LAMPIRAN
