Penumbuhan Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N dengan Metode Elektrodeposisi Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-Impedansi.

i

Penumbuhan

Multilayer

[Ni

80

Fe

20

/Cu]

N

dengan Metode Elektrodeposisi

Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-Impedansi

TESIS

Disusun Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika

Oleh

AHMAD ASRORI NAHRUN S911308001

PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

ii

Penumbuhan

Multilayer

[Ni

80

Fe

20

/Cu]

N

dengan Metode Elektrodeposisi

Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-Impedansi

TESIS

Oleh

Ahmad Asrori Nahrun S911308001

Komisi Pembimbing

Nama Tanda Tangan Tanggal

Pembimbing I. Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si.

NIP. 19731109 200003 1 001 ...

...

Pembimbing II. Nuryani, S.Si., M.Si., Ph.D.

NIP. 19690303 200003 1 001 ...

...

Telah dinyatakan memenuhi syarat Pada tanggal ...2017

Kepala Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana UNS

iii

Penumbuhan

Multilayer

[Ni

80

Fe

20

/Cu]

N

dengan Metode

Elektrodeposisi Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-Impedansi

TESIS

Oleh

Ahmad Asrori Nahrun S911308001

Telah dipertahankan di depan penguji Dinyatakan memenuhi syarat

Pada tanggal 9 Mei 2017

Tim Penguji :

Jabatan Nama Tanda Tangan

Ketua Drs. Agus Supriyanto, S. Si, M. Si

NIP. 19690826 199903 1 001 ...

Sekretaris Prof. Dra. Suparmi, M.A., Ph.D

NIP. 19520915 197603 2 001 ...

Anggota Penguji

Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si.

NIP. 19731109 200003 1 001 ...

Direktur Pascasarjana Kepala Program Studi

Ilmu Fisika

Prof. Dr. Mohammad Furqon Hidayatullah, M.Pd NIP. 19600727 198702 1 001

iv

PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN

PUBLIKASI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa:

1. Tesis yang berjudul: “Penumbuhan Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N dengan Metode

Elektrodeposisi Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-Impedansi” ini adalah

karya sendiri dan tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis dengan acuan yang disebutkan sumbernya, baik dalam naskah karangan dan daftar pustaka. Apabila ternyata di dalam naskah tesis ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur plagiasi, maka saya bersedia menerima sanksi, baik Tesis berserta gelar magister saya dibatalkan serta diproses sesuai dengan peraturan perundang-undangan yang berlaku.

2. Publikasi sebagian atau keseluruhan dari isi Tesis ini pada jurnal atau forum ilmiah harus menyertakan tim promotor sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.

Surakarta, Mei 2017 Mahasiswa,

v

Ahmad Asrori Nahrun., S911308001. Penumbuhan Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N

Dengan Metode Elektrodeposisi Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-Impedansi. Tesis. Pembimbing I: Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si Pembimbing II: Nuryani, S.Si., M.Si., Ph.D. Program Studi Ilmu Fisika, Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

ABSTRAK

Pada penelitian ini dilakukan penumbuhan multilapisan [Ni80Fe20/Cu]N dengan metode elektroplating pada substrat PCB dan kawat Cu. Penelitian dilakukan untuk mengkaji laju deposisi NiFe dan Cu pada substrat PCB serta ketergantungan rasio magneto-impedansi pada multilapisan [Ni80Fe20/Cu]N dengan substrat kawat Cu. variasi yang dilakukan berupa variasi ketebalan lapisan Cu, kenaikan frekuensi, panjang dan bentuk geometri sampel.

Metode elektrodeposisi dilakukan dengan tahapan sebagai berikut; preparasi, pembuatan larutan elektrolit, elektrodeposisi, karakterisasi, analisis, dan kesimpulan. Proses penentuan laju deposisi dilakukan dengan elektrodeposisi Ni80Fe20 dan Cu pada substrat PCB dengan luasan deposisi 11 cm. Sedangkan untuk mengetahui nilai rasio magneto-impedansi (MI) dilakukan elektrodeposisi pada kawat Cu [Ni80Fe20(800 nm)/Cu(300 nm)]3 dengan variasi panjang (l = 1 cm, 2 cm, 3 cm), variasi frekuensi arus AC dengan rentang f=20 kHz – 100 kHz serta variasi bentuk geometri dari linier menjadi solenoid dengan diameter 0,3 cm dan l = 3 cm, kemudian dilakukan pula variasi ketebalan spacer Cu pada multilapisan Cu [Ni80Fe20(800 nm)/Cu(y nm)]3 dengan y=150 nm, 300 nm, 400 nm.

Hasil karakterisasi menunjukkan laju deposisi Ni80Fe20 adalah 2 nm/s dan Cu adalah 6 nm/s. Uji karakteristik magneto-impedansi dengan variasi frekuensi arus AC 20 kHz-100 kHz pada kawat yang dilapisi [Ni80Fe20(800nm)/Cu(300nm)]3 memiliki tipikal ketika diberikan medan eksternal nol (H=0) nisbah MI berada pada nilai maksimum dan nisbah MI menurun dengan penambahan medan eksternal hingga nilainya mendekati tetap ketika medan eksternal maksimum (Hmax) 40 mT. Nilai nisbah MI maksimum teramati saat frekuensi 20 kHz mencapai 1,31%, sedangkan saat frekuensi 100 kHz nilai nisbah MI berubah menjadi 43,65%. Perubahan rasio magneto-impedansi terhadap variasi panjang kawat dihitung pada frekuensi 100 kHz meningkat dari 38% pada panjang kawat l = 1 cm kemudian meningkat drastis menjadi 382,4% kemudian menjadi 480% pada panjang kawat berturut-turut l=2 cm dan l=3 cm. Karakteristik magneto-impedansi multilapisan [Ni80Fe20(800nm)/Cu( y nm)]3 dengan variasi y=150 nm, 300 nm dan 450 nm pada frekuensi 100 kHz. Hasil memperlihatkan bahwa kenaikan tebal lapisan Cu maka rasio MI yang dihasilkan semakin kecil dan cenderung konstan setelah ketebalan spacer Cu y = 300 nm. Perbandingan magneto-impedansi pada kawat linear dengan kawat solenoid multilapisan [Ni80Fe20(800 nm)/Cu(300 nm)]3 menunjukkan kurva karakteristik MI terhadap medan magnet luar dengan frekuensi arus AC 100 kHz memiliki nilai nisbah MI pada kawat linier sebesar 54,35% dan nilai nisbah MI meningkat pada kawat solenoid menjadi sebesar 70,53%.

Kata kunci: Magneto-impedansi, Elektrodeposisi, Multilapisan Ni80Fe20/Cu, Ketebalan

vi

Ahmad Asrori Nahrun, S911308001. Multilayer Growth [Ni80Fe20/Cu] Methods of

electrodeposited as a sensor material based on Magneto-Impedansi. Supervisor I: Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si Supervisor II: Nuryani, S.Si., M.Si., Ph.D.Graduate Physics Program, Graduate Study, Sebelas Maret University Surakarta.

ABSTRACT

In this study, multilayer [Ni80Fe20/Cu]N was developed by electroplating method on PCB substrate and Cu wire. The research was conducted to assess the deposition rate of NiFe and Cu on PCB substrate and the dependence of magneto-impedance ratio on multilayer [Ni80Fe20/Cu]N with Cu wire substrate.Variations were performed in the form of variations in Cu layer thickness, frequency increase, length and geometry sample.

The electrodeposition method is carried out by the following steps; Preparation, manufacturing electrolytic solution, electrodeposition, characterization, analysis, and conclusions. The process of determining the rate of deposition is carried out with electrodeposition Ni80Fe20 and Cu on PCB substrate with 11 cm deposition area. While to know the value of ratio magneto-impedance (MI) done electrodeposition on Cu [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (300 nm)] 3 wire with variation of length (l = 1 cm, 2 cm, 3 cm), variation of AC With a range of f = 20 kHz - 100 kHz as well as variations of geometric shapes from linear to solenoid with diameter of 0.3 cm and l = 3 cm, then also variations in thickness of Cu spacer on multilapisan Cu [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (y nm )]3 with y = 150 nm, 300 nm, 400 nm.

The characterization results show that the Ni80Fe20 deposition rate is 2 nm/s and Cu is 6 nm/s. Test of magneto-impedance characteristic with variation of AC-current frequency 20 kHz-100 kHz on coated wire [Ni80Fe20 (800nm/Cu (300nm)]3 has a typical when given a zero external field (H = 0) the MI ratio is at its maximum value and The MI ratio decreases with the addition of an external field until the value is close to fixed when the maximum external field (Hmax) is 40 mT. Maximum MI ratio is observed when the frequency of 20 kHz reaches 1.31%, whereas when the frequency of 100 kHz the value of the MI ratio is changed to 43.65%. The magneto-impedance ratio change to the wire length variation calculated at a frequency of 100 kHz increased from 38% in length of wire l = 1 cm then increased drastically to 382.4% then to 480% on wire lengths respectively l = 2 cm and l = 3 cm. Characteristics of magneto-impedance multi-layers [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (y nm)]3 with variations y = 150 nm, 300 nm and 450 nm at 100 kHz frequencies. The result shows that the increase of Cu layer thickness then the ratio of MI produced is smaller and tend to be constant after the thickness of spacer Cu y = 300 nm. Comparison of magneto-impedance on linear wire with multilapisan multilayered wire [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (300 nm)]3 shows the characteristic curve of MI against the external magnetic field with 100 kHz AC current frequency having MI ratio of linear wire 54.35 % And the MI ratio increased in the solenoid wire to 70.53%. Keywords: Magneto-impedance, Electro-deposited, MultilayerNi80Fe20/Cu, Thickness

vii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Alloh SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya yang tiada terbatas sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Penumbuhan Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N dengan

Metode Elektrodeposisi Sebagai Bahan Dasar Sensor Magneto-impedansi”.

Sholawat serta salam tetap tercurahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW. Penulisan Tesis ini merupakan syarat dalam meraih derajat megister (S2) pada Program Studi Ilmu Fisika Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa tesis ini dapat terselesaikan berkat pengarahan, bimbingan, bantuan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati, penulis menyampaikan rasa hormat dan terima kasih sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd, selaku Direktur Pascasarjana

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Bapak Prof. Drs. Cari, M.A., M.Sc., Ph.D selaku Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret, sekaligus sebagai Pembimbing Akademik yang memberikan saran serta nasihat selama masa studi penulis.

3. Bapak Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si, M.Si selaku dosen pembimbing I yang senantiasa dengan sabar telah memberikan bimbingan, saran, arahan, meluangkan waktu, motivasi tersendiri kepada penulis dan memberikan dana penelitian kepada penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.

viii

5. Bapak/Ibu Dosen Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan pendidikan dan pengajaran dalam bidang fisika selama penulis menempuh studi.

6. Semua pihak yang penulis tidak bisa sebutkan satu-persatu yang ikut terlibat dalam penyusunan tesis ini dan memberikan kontribusi dalam menyelesaikan tesis ini.

Semoga Alloh SWT memberikan balasan yang lebih baik atas bantuan yang diberikan. Sebagai manusia biasa, penulis tentunya tidak lepas dari kesalahan dan kekurangan, untuk itu kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan tesis ini. Semoga karya kecil ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca dan perkembangan pendidikan dimasa yang akan datang, Aamiin.

Surakarta, Mei 2017

ix

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Deposisi Logam ... 6

2.2.Prinsip Pelapisan dengan Metode Elektrokimia ... 7

2.3.Larutan Elektrolit ... 9

2.4.Potensial Elektroda ... 12

2.5.Hukum Faraday ... 13

2.6.Faktor-Faktor yang Berpengaruh pada Proses Elektrodeposisi ... 16

2.7.Substrat ... 19

2.8.Lapisan Tipis NiFe ... 19

2.9.Momen Magnetik ... 20

2.10.Klasifikasi Material Magnet ... 20

2.11.Domain Magnetik ... 23

2.12.Magneto-Impedansi (MI) ... 24

x

2.13.1.MI di dalam ElectroplatedWires ... 26

2.13.2.MI di dalam SingleLayer Structure... 31

2.13.3.MI pada MultilayerStructure ... 32

2.13.4.MI di dalam Frekuensi Rendah ... 34

BAB III METODE PENELITIAN 3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ... 37

3.2.Alat dan Bahan Penelitian ... 37

3.2.1. Alat dan Bahan untuk Persiapan ... 37

3.2.2. Bahan Substrat ... 38

3.2.3. Alat untuk Elektrodeposisi ... 38

3.2.4. Bahan Larutan untuk Elektrodeposisi Ni80Fe20... 39

3.2.5. Bahan Kimia untuk Larutan Elekroplating Cu ... 39

3.2.6. Alat Untuk Karakterisasi... 39

3.3.Metode Penelitian ... 40

3.4.Preparasi Substrat (PCB dan Kawat Tembaga) ... 41

3.5.Proses Elektrodeposisi [Ni80Fe20/Cu]N ... 43

3.5.1. Persiapan Larutan... 43

3.5.2. Proses Elektrodeposisi ... 44

3.5.3. Penentuan Laju Deposisi Ni80Fe20 dan Cu ... 45

3.5.4. Elektrodeposisi Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N ... 47

3.6.Karakterisasi ... 49

3.6.1. Karakterisasi XRD (X – Ray Diffraction) ... 49

3.6.2. Karakterisasi Magneto-impedansi ... 49

BAB IV PEMBAHASAN 4.1.Deposisi Lapisan Tipis NiFe dan Cu ... 51

4.1.1. Laju Deposisi Ni80Fe20 dan Cu pada Proses Elektroplating ... 51

4.1.2. Karakterisasi XRD ... 52

4.2.Impedansi Magnetik ... 53

4.2.1. Karakteristik Magneto-Impedansi (MI) ... 53

4.2.2. MI Sebagai Fungsi Frekuensi Arus AC. ... 55

xi

4.2.4. MI Sebagai Fungsi Ketebalan ... 58

4.2.5. MI pada Solenoid ... 60

BAB V PENUTUPAN 5.1.Kesimpulan ... 65

5.2.Saran ... 66

DAFTAR PUSTAKA ... 67

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Skema pelapisan logam dalam cairan elektrolit ... 7

Gambar 2.2 Momen magnet yang berhubungan dengan (a) orbit elektron (b)

perputaran elektron terhadap sumbunya ... 21 Gambar 2.3 (a). Grafik impedansi (Z) (b). Grafik rasio impedansi [Z/Z(%)] sebagai

fungsi medan magnet eksternal (H) ... 26 Gambar 2.4. Hasil SEM dari electroplatedwires tersusun atas substrat kawat Cu

dengan diameter 485 m dan magnetik shell Co dengan tebal 2,5 m

(a) tampak samping (b) tampang lintang ... 27 Gambar 2.5 Grafik ilustrasi fenomena magnetoimpedansi (a) Pengaruh H terhadap

(b) Pengaruh H terhadap (c) Pengaruh H terhadap Z ... 29 Gambar 2.6 Circumferensial magnetization pada lapisan magnetik dan longitudinal

magnetization di dalam inti kawat ... 30 Gambar 2.7 Ilustrasi konfigurasi singlelayer ... 31 Gambar 2.8 (a) Ilustrasi domain structure pada konfigurasi multilayer (b) ilustrasi

multilayer secara umum (c) tampang lintang dari struktur multilayer ... 32 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 41

Gambar 3.2 Skema preparasi sampel kawat tembaga (a) substrat PCB (b) Kawat

Tembaga ... 42 Gambar 3.3 Ilustrasimultilayer [Ni80Fe20/Cu]N (a) pada konfigurasi kawat tembaga (b)

xiii

Gambar 3.4 Skema proses elektrodeposisi (Ni80Fe20/Cu)N (a) pada larutan elektrolit NiFe

(b) pada larutan elektrolit Cu ... 45

Gambar 3.5 Ilustrasi lapisan tipis hasil elektrodeposisi pada PCB untuk penentuan laju

deposisi (a) Ni80Fe20 (b) Cu ... 46

Gambar 3.6 Ilustrasimultilayer (Ni80Fe20/Cu)N hasil elektrodeposisi (a) tampak samping (c)

tampak atas ... 48

Gambar 3.7 Skema karakterisasi magnetoimpedansi kawat Cu yang dilapisi lapisan

tipis [Ni80Fe20/Cu]N ... 50 Gambar 4.1 Grafik ketebalan sebagai fungsi waktu dengan slope/kemiringan kurva

menunjukkan laju deposisi NiFe yaitu 2 nm/s dan laju deposisi Cu yaitu 6 nm/s ... 51 Gambar 4.2 (a) Spektral difraksi sinar-x dari substrat Cu PCB (b) Spektral difraksi

sinar-x dari lapisan tipis Ni80Fe20 dengan ketebalan 1800 nm hasil elektrodeposisi pada substrat Cu PCB ... 52 Gambar 4.3 Karakteristik kurva magneto-impedansi yaitu perubahan impedansi

akibat medan terpasang untuk sampel [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (150 nm)]3 dievaluasi pada f = 20 kHz ... 54 Gambar 4.4 (a) Modifikasi kurva MI sebagai fungsi medan magnet untuk variasi

frekuensi arus a.c dan (b) nisbah MI sebagai fungsi frekuensi pada substrat kawat Cu [Ni80Fe20(800 nm)/Cu(300 nm)]3 panjang 1 cm. ... 55 Gambar 4.5 (a) perubahan Z/Z(Hmax) sebagai fungsi medan magnet untuk variasi

xiv

Gambar 4.6 (a) perubahan nilai impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk

variasi tebal spacer layer Cu dan (b) nisbah MI sebagai fungsi tebal

spacer layer pada substrat kawat Cu [Ni80Fe20(800 nm)/Cu(y nm)]3 dengan frekuensi pengukuran sebesar 100 kHz. ... 59 Gambar 4.7 Grafik impedansi total listrik (Z) sebagai fungsi medan magnet (H)

sampel bentuk kumparan N = 2 dan 4 ... 61 Gambar 4.8 Prosentasi rasio MI sebagai fungsi jumlah lilitan ... 61

Gambar 4.9 (a) Tipikal kurva MI sebagai fungsi medan magnet pada wire dan

solenoid [Ni80Fe20(800 nm)/Cu(300 nm)]3 pada frekuensi a.c 100 kHz (b) Hubungan nisbah MI dengan frekuensi untuk substrat wire Cu dan

xv

DAFTAR PUBLIKASI

Publikasi 1 Jurnal ILMU DASAR, Vol.17 No.2, Juli 2016:87-90

Publikasi 2 Seminar Nasional Fisika dan Pembelajaran Universitas Negeri

Malang 2015 (Prosiding)

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1

Lampiran 2

Perhitungan Sensitifitas Medan Sensor Magneto-impedansi (MI)

Foto Dokumentasi Penelitian

xvii

DAFTAR SINGKATAN DAN SIMBOL

Daftar Singkatan

GMI Giant Magneto Impedance

MI Mangneto-impedansi

pH Power of Hidrogen (Derajat keasaman larutan)

AC AlternatingCurrent (Arus bolak-balik) Daftar Simbol

Ni Nikel

Fe Ferro/besi

Pt Platina

CuSO45H2O Coppersulfat

NiSO46H2O Nickel sulfat

Z (H) Impedansi pada saat penerapan medan magnet H

Z (Hmax) Impedansi pada saat penerapan medan magnet maksimum Hmax

∆Z Perubahan impedansi

Z0 Impedansi awal

f Frekuensi

N Jumlah perulangan lapisan

B Induksi magnetik (vektor)

H Medan Magnet (vektor)

µ Permeabilitas magnetik

µ0 Permeabilitas magnetik pada ruang bebas

 Permeabilitas circumferensial pada kasus konduktor kawat

T Permeabilitas transverse

xviii

M Magnetisasi pada medium

Tc Batas suhu atau temperatur terendah

R Resistansi

X Reaktansi

H Medan magnet eksternal

Hmax Medan magnet eksternal maksimum

∆H Lebar penuh pada setengah maksimum kurva magneto-impedansi Sensitifitas sensor magneto-impedansi

L Induktansi

Vac Tegangan sinusoida yang diperoleh antara ujung-ujung konduktor

Iac Arus Sinusoida yang mengalir pada konduktor frekuensi circular

Ez Komponen longitudinal dari medan listrik

Jz Komponen longitudinal dari rapat arus Rdc Resistansi dc pada kawat silider Rm Resistansi dc pada multilapisan RT Reisitansi dc pada single-layer S Nilai saat di penampang (surface)

...q Nilai rata-rata pada penampang lintang q

 Resistivitas

l Panjang konduktor

hz Medan magnet ac dari komponen axial

h_ Circumferential dari medan magnet ac

J0,J1 Fungsi Bessel untuk jenis yang pertama Jari-jari dari kawat konduktor magnetik

2a Ketebalan dari pita konduktor magnetik

m Kedalaman penetrasi dari medan magnet terhadap konduktor magnetik

c Kecepatan cahaya

Bilangan Avogadro (jumlah atom dalam mol)

F Konstanta Faraday

xix

Waktu deposisi

Berat deposisi yang dideposisi pada substrat Massa atom yang dideposisi pada substrat

Densitas dari logam

A Luas daerah pada deposisi

Ketebalan lapisan yang terbentuk

 Konduktivitas listrik

F Lapisan magnetik

M Lapisan Konduktif

 Jumlah total transverse magnetic flux yang dihasilkan oleh arus ac

ketika mengalir pada lapisan magnetik

̂ Permeabilitas tensor ac

Muatan listrik per elektron

Total muatan katoda yang digunakan dalam deposisi