ANALISIS SIFAT LISTRIK DAN MAGNETIK LAPISAN TIPIS Ni80Fe2o HASIL DEPOSISI SEBAGAI BAHAN DASAR SENSOR MAGNET

ANALISIS SIFAT LISTRIK DAN MAGNETIK

LAPISAN TIPIS Ni

80

Fe

2

o HASIL DEPOSISI

SPUTTERING

SEBAGAI BAHAN DASAR SENSOR MAGNET

Budi

Purnama ,

Fahru Nurosyid , Kamsul Abraha , Sudjatmoko

ABSTRAK

Telah dilakukan analisis mengenai sifat listrik dan sifat magnetik lapisan tipis permalloy Ni

8

oFe

2

o yang

dideposisi dengan metode sputtering di atas substrat kaca. Karakterisasi fisis lapisan mencakup penentuan

struktur mikroskopisnya melalui analisis difraksi sinar-Jf (XRD) dan SEM, serta pengukuran resistansi listrik

dan GMR melalui metode four point probe yang dimodifikasi. Hasil XRD mengindikasikan bahwa struktur

lapisan yang terbentuk didominasi oleh suatu karakteristik kubus beipusat sisi (fee) dengan orientasi bidang

hkl (777) tegaklurus pada bidang lapisan. Hasil SEM menunjukkan hubungan antara ketebalan lapisan tipis

dengan tingkat kerataan. Pengukuran menunjukkan resistivitas lapisan tipis tergantung pada ketebalan.

Pengukuran GMR memberikan hasil yang menegaskan ketergantungannya pada ketebalan lapisan tipis

permalloy tersebut. Akhirnya, watak simetris kurva GMR di sekitar medan magnet nol juga berhasil

teramati secara jelas di dalam analisis.

Kata kunci: gejala magnelo-resistansi, sputtering, four point probe

ABSTRACT

The analysis of electrical and magnetic properties in pennalloy permalloy NigoFe

2

o thin films prepared by sputtering

method on glass substrate is reported. The physical characterization of these films including its microscopic structure

detemiined by A"-Ray Diffraction (XRD) and SEM as well as its electric resistance measurement and magneto-resistance

by a modified four point probe method. The XRD results indicate that the deposited thin film structure is dominated by

the characteristic face-centered cubic structure with its (111) plane orientation nonnal to the plane of the film. The SEM

result indicates the relation between the thickness of thin films and the surface roughness. The resistivity of the films

depend on the thickness of the films. The measurement of permalloy magneto-resistance shows the thickness

dependence. Finally, the symmetrical feature of the magneto-resistance curves near zero applied magnetic fields is also

successfully observed in the analysis.

Keywords: magneto-resistance, sputtering, four point probe

1. PENDAHULUAN

Sejflk ditemukannya gejala magmto-resistansi

(GMR) pada tahun 1988 (Fert dkk. 1995), penelitian

mengenai lapisan tipis semakin intensif dilakukan.

Pemanfaatan dan penerapan sifat GMR lapisan tipis

tersebut di dalam berbagai bidang, khususnya dalam

pengadaan media perekaman (Mapps 1994) dan

sensor magnetik (Clegg 1984) merupakan salah satu

faktor pendorong utama makin maraknya penelitian

di bidang ini.

Beberapa laporan menyebutkan bahwa besar

prosentase perubahan GMR, terutama untuk sistem

multilapisan seperti NiFe/Cu misalnya, sedikit

* Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Sebelas Marel

Surakarta

— Jurusan Fisika, FMIPA, UGM, Yogyakarta

P3TM, Balan, Yogyakarta

banyak bergantung pada ketebalan lapisan tersebut.

Besar GMR ini akhirnya mencapai nilai jenuh pada

ketebalan sekitar 40 nm (Rijks 1996), artinya tebal

lapisan akan menentukan besar kecilnya sumbangan

yang berasal dari efek hamburan spin pada nilai

resistansi bahannya.

Tujuan utama laporan ini adalah untuk menganalisis

ketergantungan perubahan GMR lapisan tipis

ferromagnetik Ni

8

oFe

2

o, yang dideposisi dengan

metode sputtering, terhadap perubahan ketebalan

lapisan tersebut. Dalam makalah ini juga akan

disajikan beberapa hasil pengukuran difraksi sinar-x

(X-Rcty Diffraction=XRD) dan metode pengukuran

resistansi yang berbasis teknik four point probe yang

dimodifikasi.

2. DA SA R TE OR I Salah satu sifat fisis material ferromagneti k Ni 80 Fe 2 o (atau yang biasa dinamakan permalloy) yan g menguntungkan adalah kemampuannya untuk menerima hanya satu keadaan polarisasi magneti k atau magnetisasi. Artinya , permalloy mempunyai arah magnetisasi tunggal . Selai n it u perbandinga n geometri yan g keci l antar a ketebala n denga n panjangnya permalloy mengakibatka n terciptany a kestabilan magnetisasi tanp a diserta i gejal a demagnetisasi. Permalloy juga sangat cepa t merespons meda n magne t yan g berasa l dar i perubahan arus yan g terjad i (Watso n 1994) . Ada du a sifa t pentin g yan g menentuka n wata k respon bahan magnetik terhadap medan magnet terpasang yaitll anisotrop i magneti k da n struktu r ranah magnetiknya. Sementar a it u untu k meminimalkan energi dir i magnetostati k (magnetostatic self-energy), material aka n mendistribusi sejumla h rapa t polarisas i magnetikny a dalam sejumlah ranah. Arah magnetisasi dala m suat u rana h {domain) ditentukan oleh anisotropi magnetik . Kebanyaka n material magneti k memilik i bermacam-maca m anisotropi denga n magnetisas i terleta k sepanjan g sumbu mudah (easy axis) dalam medan nol. Ara h sumbu mudah ini biasany a mengikut i sala h sat u ara h tertentu dalam kristal, yait u yan g lazi m dinamaka n sumbu-sumbu kristal. Kalau memungkinkan secara energitika, magnetisas i film magnetik sangat tipi s diharapka n terleta k pad a bidang (Gambar 1) . Anisotrop i in i bias a disebu t anisotropi permukaa n da n mempunya i implikas i penting dalam rekayasa media perekaman (recording me di a) . Secara keseluruhan perilaku magnetik dari sebua h lapisan tipis ditentuka n ole h adany a komprom i ata u keseimbangan diantara energi tuka r (exchange energy), energ i magnetostati k da n energ i anisotropi . Akibatnya, materia l magneti k aka n mendistribus i sejumlah rapat polarisas i magneti k dala m sejumla h ranah sehingga memungkinkan ranah-ranah yang bertetangga akan mempunyai ara h mome n magneti k yang berbeda yang dipisahkan oleh dinding ranah (domain wa ll ). Dindin g in i menunjukka n pembalikan arah magnetisasi rana h sat u denga n lainnya yang menempati (N + 1 ) bidan g atomik . Pendistribusian rapat polarisas i magneti k dala m ranah magnetik berlangsung sebagai usah a untu k mereduksi energ i dir i magnetostati k (magnetostatic self energy), sehingga ukuran ranah ditentukan oleh keseimbangan antara energi tuka r denga n energ i magnetostatik. Energ i dir i magnetostati k berasa l dari interaks i antar a magnetisas i sampe l M dengan demagnetisasi interna l pH dengan H adala h sam a dengan D M untu k D adalah faktor geometr i yan g tergantung pada fraksi luasa n sampe l magnetisasi . Dengan terjadinya pendistribusian rapat magneti k polarisasi dala m rana h sampe l mak a terjad i pul a pengurangan luasan magnetisasi sehingg a mengurangi fakto r geometr i yan g berakiba t terjadinya pengurangan energi dir i magnetostatik . Dengan demikian, tanp a meda n lua r energ i dir i magnetik tersebut suda h minima l denga n kat a lai n medan luar dapa t direduks i sampa i nol . (a) A V

->

w A 4

T

T

T

< >

w Gambar 1 . Diagra m skemati k dala m ranah . a. Diagra m skemati k dar i sebua h rana h tunggal lapisa n tipi s denga n magnetisas i dalam bidang gambar. b. Diagra m skemati k rana h lapisa n tipi s dengan sumbu mudah tegaklurus pad a bidang lapisan tipis da n membela h dala m beberapa ranah. Pendistribusian rapat polarisas i magneti k dala m sejumlah ranah ditentukan pada keseimbangan antara pasangan energi tuka r (exchange coupling energy) yan g berpera n dala m mensejajarka n atom

-atom magnetik dan energi anisotropi magnetik ( m a g n e t i c a n i s o t r o p y e n e r g y ) yang berperan mensejajarkan momen-momen magnetik pada sumbu mudah.

Energi tukar tiap unit luasan dinding adalah:

An

•d)

dengan A menyatakan konstanta tukar yang berhubungan dengan kekuatan pasangan tukar, S adalah lebar/tebal dinding ranah. Jika momen magnetik berputar dari sumbu mudah dengan sudut <j>, maka penambahan energi tiap unit volume dilukiskan dengan K sin <f>. Energi ini minimum bila momen magnetik berorientasi searah panjang sumbu mudah dengan <M)° atau 180°. Dengan demikian energi anisotropi tiap unit luasan dinding adalah

•(2) * 2

Keseimbangan pasangan energi tukar dan energi anisotropi dicapai untuk lebar dinding,

•(3)

3. M E T O D E EKSPERIMEN

Lapisan tipis yang terbentuk dalam eksperimen ini

merupakan hasil deposisi s p u t t e r i n g pada substrat kaca berukuran 1 cm x 2.5 cm. Sebelumnya substrat dibersihkan teriebih dahulu dengan u l t r a s o n i c c l e a n e r selama 20 menit dalam larutan alkohol 99%. Suhu substrat saat deposisi adalah 200°C. Target Ni-Fe terbuat dari serbuk N i dan Fe, dengan kemurnian masing-masing sama besar yaitu 99.95% yang dipres dengan gaya tekan sekitar 16 ton (566

kg/cm'). Sebelum dan sesudahnya target

dipanaskan ( d i s i n t e r i n g ) pada suhu 400°C selama 10 menit. Sebagai ion penembak dalam proses pendeposisian adalah ion-ion gas argon yang ditambahkan dengan oksigen reaktif. Jarak kedua

elektrode saat deposisi adalah 1 cm dengan beda

tegangan keduanya adalah 1.4 k V dan arus 16 mA.

Karakterisasi pokok yang dilakukan terhadap lapisan tipis hasil deposisi terdiri dari dua bagian, yaitu untuk menganalisis struktur mikroskopis dan sifat kelistrikan melalui pengukuran besarnya G M R . Pertama, struktur mikroskopis lapisan yang terbentuk dianalisis melalui teknik X R D dengan menggunakan sumber radiasi K a dari katoda Cu

yang memiliki panjang gelombang sekitar 1.54 angstrom. Kedua, pengukuran resistansi lapisan tipis dilakukan dengan memakai metode f o u r - p o i n t p r o b e yang telah dimodifikasi (Vander Voort dkk.

1995) dengan konfigurasi keempat elektrodanya seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2. Keempat probe dibuat sendiri dari bahan lempang baja ( s t a i n l e s s s t e e l ) dengan jarak antar p r o b e n y a sebesar kurang lebih 4 mm. Pengukuran resistansi hanya dilakukan pada suhu kamar (ruangan). Nilai nisbah G M R didefinisikan sebagai perbandingan antara besar perubahan resistansi terhadap nilai resistansi dalam medan nol, yaitu seperti yang dirumuskan (Zeltser dan Smith 1996) dalam bentuk,

Atf R ( 0 ) - R ( H )

R ( 0 ) R ( 0 ) •(4)

Gambar 2. Bagan skematis f o u r p o i n t p r o b e yang telah dimodifikasi.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk mengukur ketebalan dan struktur morfologi permukaan lapisan tipis yang terbentuk dilakukan pemotretan dengan S E M ( S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o s c o p e ) . Tipikal hasil potret S E M arah paralel

tampang lintang permukaan dapat ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3 . Hasi l pemotreta n SE M ara h parale l tampang lintang permukaan untuk dua variasi wakt u deposisi , a ) 1 .5 jam (perbesaran 4.000 kali) da n b ) 2 jam (perbesaran 10.000 kali).

Dengan

hasil in

i

kita dapat menentuka n secar a

langsung ketebala

n lapisa

n tipi

s

yang diperoleh. Sedangkan hasil pemotreta n SE M ara h tegakluru s tampang lintang permukaan ditunjukkan dalam Gambar 4 . Teramat i denga n jela s bahw a morfolog i permukaan lapisan tipis untu k ketebala n lebi h teba l lebih merata dibandingkan dengan lapisan masih tipis. Ha l in i terkai t denga n prose s difus i yan g terjadi saa t prose s deposis i berlangsung . Artiny a proses interaks i atom-ato m penyusu n lapisa n tipi s saat difus i menyebabka n permukaa n semaki n rata . Gambar 4 . Hasi l pemotreta n SE M ara h tegakluru s tampang lintang permukaan untuk dua variasi ketebalan , a ) 0.5 5 u m da n b ) 1 .1 urn. Sedangkan dari analisi s difraks i sinar-x (XRD), seperti tampa k dala m Gamba r 5 untuk ketebalan 0.9 urn da n 1 .1 [im diperole h hasi l bahw a struktu r kristal lapisa n tipi s p er ma ll oy yang terbentuk terlihat amat didominas i ole h karakteristi k suat u krista l kubus berpusa t sis i (fee) dengan orientasi bidang hkl (111 ) pad a sudu t 25=44.4° . Hasi l in i ternyata amat sesua i denga n hasi l dala m literatu r (Rijks 1996) . Orientas i tungga l bidan g (111 ) pad a sudut 26 tersebut menunjukka n bahw a pertumbuhan kristal teramat i cuku p manta p pad a sudut tersebu t denga n ara h pertumbuha n lapisa n adalah tegaklurus pad a bidan g krista l tad i (Zeltse r dan Smit h 1996) . 1 H H M Ht OH IC l) -if l . a 64 . B •to . e 3 ft . H 25 . 8 IG . e I co un t• l I n M iNiFe(lll) f eW ll ) NiFe(lll ) fi A t ' ' z ' « V n •f tn ' -' aa l -2 Gambar 5 . Spektru m X RD lapisan NiFe dengan ketebalan 1. 1 u m (atas ) da n 0. 9

2 -i E G t _o X •> 5 U.2 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Tebal Lapisan (um)

1.3

Gambar 6. Hasil pengukuran resistivitas lapisan tipis untuk variasi ketebalan.

Dari Gambar 6 di atas teramati dengan jelas bahwa terjadi penurunan resistivitas seiring dengan peningkatan ketebalan dan terlihat tidak teratur. Penurunan resistivitas ini dipengaruhi banyak hal salah satunya adalah lapisan tipis kurang merata sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 4.

Gambar 7 menampilkan dua grafik G M R lapisan tipis p e r m a l l o y dengan dua macam ketebalan yang berbeda. Dari kedua grafik tersebut teramati dengan jelas watak simetris serta maksimumnya nilai

resistansi di sekitar medan 5=0. Seperti telah

dibahas sebelumnya, keberadaan resistivitas

magnetik ini tidak dapat dipisahkan dari adanya ketakteraturan s p i n (spin d i s o r d e r ) dalam bahan tersebut yang berasal dari exchange s c a t t e r i n g . Bila dipasang medan magnet luar maka ketakteraturan tersebut mulai berkurang sehingga sumbangan

Feiistivitas pada resistansi yang terukur juga

berkurang. Sumbangan resistivitas magnetik akan minimal pada saat s p i n - s p i n magnetik paling teratur atau terarah. Dari Gambar 6 terlihat dengan jelas bahwa keadaan ini terjadi pada saat medan B

kira-kira sebesar 4 mT. Artinya, pada keadaan ini arah magnetisasi telah searah dengan arah medan luar terpasang. G M R 1,1 M i k r o m e t e r 3.4 _3.35 | a. 3.3 e 1 3.25 1 3.25 » I T * 3.2 3.15 * 3.2 3.15 -8. 7 CO V O ^ «> I*". M e d a n Magnet (mT) G M R 0,9 M i k r o m e t e r Medan Magnet (mT)

Gambar 7. Grafik G M R lapisan Ni-Fe dengan tebal 1.1 um (atas) dan 0.9 um (bawah). Kurva menunjukkan nilai jenuh pada saat medan mencapai 4 mT. Nisbah G M R adalah 3.8% (atas) dan 7.6% (bawah).

Gambar 8 menampilkan grafik hubungan antara prosentase nisbah G M R seperti yang diberikan dalam persamaan (1) dengan ketebalan lapisan N i -Fe. Dari pengukuran G M R tersebut tampak bahwa tiga pengukuran terakhir menunjukkan nilai G M R yang menurun terhadap ketebalan. Kenyataan ini dapat dijelaskan sebagai b e r i k u t ;

Hamburan s p i n yang terjadi dalam material magnetik adalah hamburan s p i n flip (spin flip s c a t t e r i n g ) dan hamburan potensial ( p o t e n t i a l s c a t t e r i n g ) (Fert dan Lottis 1992). Kedua hamburan tersebut menimbulkan perbedaan jumlah keadaan elektron-elektron konduksi di kedua kanal s p i n up dan s p i n d o w n . Karena efek hamburan s p i n lebih efektif untuk lapisan yang lebih tipis maka peningkatan ketebalan menyebabkan nilai G M R turun.

Ketebalan(Mikrometer) Gambar 8 . Hubunga n GM R lapisa n tipi s Ni-F e dengan ketebalan. Terliha t GM R menurun dengan peningkatan ketebalan. Yang juga dapat diamat i dala m Gamba r 8 adalah bahwa nilai GM R untu k lapisa n denga n ketebala n eekitar 0.5 5 jxu i adala h sanga t keci l bil a dibandingkan dengan nilai untu k ketebala n yan g lain. In i didug a dikarenaka n prose s rekristalisas i yang kurang sempurna dan adanya pengotor no n magnetik (Fert dkk . 1995 ) dala m lapisa n yan g terbentuk. Disini , kehadira n pengoto r no n magneti k yaitu hamburan yang tidak menimbulka n perbedaa n populasi kanal-kana l spin up da n spin down yan g optimal (Fer t da n Lotti s 1992) . Akibatnya , perbedaan resistivitas (resistansi ) du a kana l tersebu t tidak besa r da n artiny a perubaha n nila i GM R yan g terukur jug a kecil . 5. SI MP UL AN Dari analisi s G MR lapisan tipis permalloy ini dapa t dirumuskan beberapa butir kesimpula n sebaga i berikut: 1) Dar i analisi s XRD dapat diturunka n bahw a lapisan tipis yan g dihasilka n menampilka n dominasi struktu r krista l kubu s berpusa t sis i dengan bidang Miller (111 ) tegakluru s pad a bidang lapisan tipis tersebut . 2) Resistivita s lapisa n tipi s teruku r menunjukka n ketergantungannya dengan ketebalan. 3) Pengukura n GM R berhasi l memperole h du a karakter pokoknya , yait u wata k simetri s sert a maksimum nilai resistans i d i sekita r meda n 5=0 . 4) Ditemuka n pul a bahw a respon s lapisa n tipi s terhadap medan magnet terpasan g akhirny a aka n mengalami kejenuhan , artiny a nila i GM R tidak lagi beruba h meskipu n meda n teru s dinaikkan . 5) Pengukura n GM R jug a memperlihatka n ketergantungan nilainya pada ketebalan lapisan. DA FT AR A CU AN Clegg, W . (1984) , Som e Aspect s o f Thi n Fil m Magnetoresistive Sensors, Physic s o f Magnetic Material, Wor d Scientific , Singapore. Fert, A. , Grunberg , P . da n Zinn , W . (1995) , Layered Ma gn et ic Structure: In te rl ay er Exchang e Co up li ng and Gi an t Magneto-resistance, J. Magn. Mater , 140-114 , pp . 1-8 . Fert, A. , da n Lottis , D. K. (1992) , Magnetotransport Phenomena , dar i Encyclopedia of Magneti c an d Superconducting Materials, ed . S.E.Everts , pp. 287-296 . Mapps, D.J . (1994) , Magnetoresistance , Applie d Magnetism, Kluwe r Academi c Publisher , Netherlands, pp . 377-403 . Rijks, Th.G.S.M . (1996) , Layere d Thi n Film s fo r Sensor Applications: Magnetoresistanc e and Magnetic Interaction, Ph. D Thesis , Eindhoven University of Technology . Vander Voort , K .G ., Willingham , J.M. , da n Morris , L.H. (1995) , Simple Inexpensive Probe for Resistivity Measurements Above 77 K on Me ta ls and Superconductors, Am.J.Phys .63, pp. 759-760 . Watson, J.K . (1994) , Magneti c Devices , Encyclopedia of Physica l Scienc e an d Technology, 2 nd Edition, Volum e 9 , Academic Press, Inc . Ne w York . Zeltser, A. M. , da n Smith , N. (1996) , Gi an t Magnetoresistance in Evaporated NiFe/Cu and Ni Fe Co /C u Mu lt il ay er s, J.App.Phys .79, pp. 9224-9230 .