55
ANALISIS SIFAT LISTRIK DAN MAGNETIK LAPISAN TIPIS Ni80Fe2o HASIL DEPOSISI SPUTTERING SEBAGAI BAHAN DASAR SENSOR MAGNET Budi P u r n a m a , Fahru Nurosyid , Kamsul Abraha , Sudjatmoko
ABSTRAK
Telah dilakukan analisis mengenai sifat listrik dan sifat magnetik lapisan tipis permalloy Ni8oFe2o 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 NigoFe2o 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 XRDresultsindicate 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. Theresistivityof 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 banyak bergantung pada ketebalan lapisan tersebut. 1. PENDAHULUAN Besar GMR ini akhirnya mencapai nilai jenuh pada Sejflk ditemukannya gejala magmto-resistansi ketebalan sekitar 40 nm (Rijks 1996), artinya tebal (GMR) pada tahun 1988 (Fert dkk. 1995), penelitian lapisan akan menentukan besar kecilnya sumbangan mengenai lapisan tipis semakin intensif dilakukan. yang berasal dari efek hamburan spin pada nilai Pemanfaatan dan penerapan sifat GMR lapisan tipis resistansi bahannya. tersebut di dalam berbagai bidang, khususnya dalam Tujuan utama laporan ini adalah untuk menganalisis pengadaan media perekaman (Mapps 1994) dan ketergantungan perubahan GMR lapisan tipis sensor magnetik (Clegg 1984) merupakan salah satu ferromagnetik Ni8oFe2o, yang dideposisi dengan faktor pendorong utama makin maraknya penelitian metode sputtering, terhadap perubahan ketebalan di bidang ini. lapisan tersebut. Dalam makalah ini juga akan Beberapa laporan menyebutkan bahwa besar disajikan beberapa hasil pengukuran difraksi sinar-x prosentase perubahan GMR, terutama untuk sistem (X-Rcty Diffraction=XRD) dan metode pengukuran multilapisan seperti NiFe/Cu misalnya, sedikit resistansi yang berbasis teknik four point probe yang dimodifikasi. * Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Sebelas Marel Surakarta — Jurusan Fisika, FMIPA, UGM, Yogyakarta P3TM, Balan, Yogyakarta Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK
56
2.
DASAR TEORI
Salah satu sifat fisis material ferromagnetik Ni Fe o (atau yang biasa dinamakan permalloy) yang menguntungkan adalah kemampuannya untuk menerima hanya satu keadaan polarisasi magnetik atau magnetisasi. Artinya, permalloy mempunyai arah magnetisasi tunggal. Selain itu perbandingan geometri yang kecil antara ketebalan dengan panjangnya permalloy mengakibatkan terciptanya kestabilan magnetisasi tanpa disertai gejala demagnetisasi. Permalloy juga sangat cepat merespons medan magnet yang berasal dari perubahan arus yang terjadi (Watson 1994). 80
Ada
2
dua sifat penting yang menentukan watak
respon bahan magnetik terhadap medan magnet terpasang yaitll anisotropi magnetik dan struktur ranah
magnetiknya.
meminimalkan (magnetostatic
energi
Sementara diri
self-energy),
itu
untuk
magnetostatik material
akan
mendistribusi sejumlah rapat polarisasi magnetiknya dalam sejumlah ranah. Arah magnetisasi magnetik
memiliki axis)
(domain wall). Dinding ini menunjukkan pembalikan arah magnetisasi ranah satu dengan lainnya yang menempati (N + 1) bidang atomik. Pendistribusian rapat polarisasi magnetik dalam ranah magnetik berlangsung sebagai usaha untuk mereduksi energi diri magnetostatik (magnetostatic self energy), sehingga ukuran ranah ditentukan oleh keseimbangan antara energi tukar dengan energi magnetostatik. Energi diri magnetostatik berasal dari interaksi antara magnetisasi sampel M dengan demagnetisasi internal p H dengan H adalah sama dengan D M untuk D adalah faktor geometri yan tergantung pada fraksi luasan sampel magnetisasi Dengan terjadinya pendistribusian rapat magneti polarisasi dalam ranah sampel maka terjadi pul pengurangan luasan magnetisasi sehingg mengurangi faktor geometri yang berakiba terjadinya pengurangan energi diri magnetostatik Dengan demikian, tanpa medan luar energi dir magnetik tersebut sudah minimal dengan kata lai medan luar dapat direduksi sampai nol. (a)
dalam suatu ranah
ditentukan oleh anisotropi magnetik. material
{domain)
Kebanyakan
A
bermacam-macam
anisotropi dengan magnetisasi terletak sumbu mudah (easy
sepanjang
V
->
w
dalam medan nol. Arah
sumbu mudah ini biasanya mengikuti salah satu arah tertentu dalam kristal, yaitu yang lazim dinamakan sumbu-sumbu kristal. Kalau memungkinkan secara energitika, magnetisasi
A
T
film magnetik sangat tipis diharapkan terletak pada bidang (Gambar 1). Anisotropi ini biasa disebut anisotropi permukaan dan mempunyai implikasi penting
dalam
(recording
rekayasa
media
perekaman
media).
Secara keseluruhan perilaku magnetik dari sebuah lapisan tipis ditentukan oleh adanya kompromi atau keseimbangan diantara energi tukar (exchange energy), energi magnetostatik dan energi anisotropi. Akibatnya, material magnetik akan mendistribusi sejumlah rapat polarisasi magnetik dalam sejumlah ranah sehingga memungkinkan ranah-ranah yang bertetangga akan mempunyai arah momen magnetik yang berbeda yang dipisahkan oleh dinding ranah
<
4
T
>
T
w
Gambar 1. Diagram skematik dalam ranah. a. Diagram skematik dari sebuah rana tunggal lapisan tipis dengan magnetisa dalam bidang gambar. b. Diagram skematik ranah lapisan tip dengan sumbu mudah tegaklurus pad bidang lapisan tipis dan membelah dala beberapa ranah. Pendistribusian rapat polarisasi magnetik dala sejumlah ranah ditentukan pada keseimbanga antara pasangan energi tukar (exchange coupli energy) yang berperan dalam mensejajarkan ato
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
57
atom magnetik dan energi anisotropi magnetik (magnetic anisotropy energy) yang berperan mensejajarkan momen-momen magnetik pada sumbu mudah. Energi tukar tiap unit luasan dinding adalah: An
a
•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
. 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
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 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,
•(2)
Keseimbangan pasangan energi tukar dan energi anisotropi dicapai untuk lebar dinding,
Atf R(0)
R(0) -
R(H)
•(4)
R(0)
•(3)
3. METODE 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.
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 Electron M i c r o s c o p e ) . Tipikal hasil potret SEM arah paralel tampang lintang permukaan dapat ditunjukkan dalam Gambar 3.
Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK
Gambar 3. Hasil pemotretan S E M arah paralel tampang lintang permukaan untuk dua variasi waktu deposisi, a) 1.5 jam (perbesaran 4.000 kali) dan b) 2 jam (perbesaran 10.000 kali).
Dengan hasil ini kita dapat menentukan secara langsung ketebalan lapisan tipis yang diperoleh. Sedangkan hasil pemotretan S E M arah tegaklurus tampang lintang permukaan ditunjukkan dalam Gambar 4. Teramati dengan jelas bahwa morfologi permukaan lapisan tipis untuk ketebalan lebih tebal lebih merata dibandingkan dengan lapisan masih tipis.
Hal ini terkait dengan proses difusi yang
terjadi saat proses deposisi berlangsung.
Artinya
proses interaksi atom-atom penyusun lapisan tipis saat difusi menyebabkan permukaan semakin rata.
1 HH M ICOHHtl)if l . a
Gambar 4. Hasil pemotretan S E M arah tegaklurus tampang lintang permukaan untuk dua variasi ketebalan, a) 0.55 um dan b) 1.1 urn. Sedangkan dari analisis difraksi sinar-x (XRD), seperti tampak dalam Gambar 5 untuk ketebalan 0.9 urn dan 1.1 [im diperoleh hasil bahwa struktur kristal lapisan tipis p e r m a l l o y yang terbentuk terlihat amat didominasi oleh karakteristik suatu kristal kubus berpusat sisi (fee) dengan orientasi bidang hkl (111) pada sudut 25=44.4°. Hasil ini ternyata amat sesuai dengan hasil dalam literatur (Rijks 1996). Orientasi tunggal bidang (111) pada sudut 2 6 tersebut menunjukkan bahwa pertumbuhan kristal teramati cukup mantap pada sudut tersebut dengan arah pertumbuhan lapisan adalah tegaklurus pada bidang kristal tadi (Zeltser dan Smith 1996).
iNiFe(lll)
64 . B •to . e 3
ft . H
. e
IG
8
25
.
I count•l
f
I nM
t '
'
e W l l ) NiFe(lll) fi
z
'
«
V
A
•ftn' ' -
n
aa
l-2
Gambar 5. Spektrum X R D lapisan NiFe dengan ketebalan 1.1 um (atas) dan 0.9 um (bawah). Intensitas maksimum terletak pada sudut 2 =44.4°. Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
59
2
GMR
-i
1,1
Mikrometer
3.4
E
_3.35 |
G to
a.
3.3
e
X
•>
1
3.25
*
3.2
»
I T
3.15
5
CO
U.2 0.5
V
O
^
«>
I*".
Medan Magnet (mT) 0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
Tebal Lapisan (um)
GMR
0,9 M i k r o m e t e r
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.
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 GMR seperti yang diberikan dalam persamaan (1) dengan ketebalan lapisan NiFe.
Dari pengukuran G M R
tersebut tampak bahwa
tiga pengukuran terakhir menunjukkan nilai G M R yang menurun terhadap ketebalan. dapat dijelaskan sebagai
Kenyataan ini
berikut;
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.
Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK
60
mengalami kejenuhan, artinya nilai GMR tidak lagi berubah meskipun medan terus dinaikkan. 5) Pengukuran
GMR
juga
memperlihatkan
ketergantungan nilainya pada ketebalan lapisan. DAFTAR ACUAN Ketebalan(Mikrometer)
Gambar 8. Hubungan G M R lapisan tipis Ni-Fe dengan ketebalan. Terlihat G M R menurun dengan peningkatan ketebalan. Yang juga dapat diamati dalam Gambar 8 adalah bahwa nilai G M R untuk lapisan dengan ketebalan eekitar
0.55
jxui
adalah
sangat
kecil
bila
Clegg, W. (1984), Some Aspects of Thin Film Magnetoresistive Sensors, Physics of Magnetic Material, Word Scientific, Singapore. Fert, A., Grunberg, P. dan Zinn, W. (1995), Layered M a g n e t i c Structure: I n t e r l a y e r Exchange C o u p l i n g and G i a n t Magneto-resistance, J. Magn. Mater, 140-114, pp. 1-8.
dibandingkan dengan nilai untuk ketebalan yang lain.
Ini diduga dikarenakan proses rekristalisasi
Fert,
magnetik (Fert dkk. 1995) dalam lapisan yang
up dan spin down
yang
A.,
dan
Lottis,
Magnetotransport
yang kurang sempurna dan adanya pengotor non
(Fert
dan
Lottis
1992).
(1992), dari
Mapps, D.J. (1994), Magnetoresistance, Applied Magnetism,
optimal
Akibatnya,
ini dapat
D.K.
Phenomena,
Encyclopedia of Magnetic and Superconducting Materials, ed. S.E.Everts, pp. 287-296.
terbentuk. Disini, kehadiran pengotor non magnetik yaitu hamburan yang tidak menimbulkan perbedaan populasi kanal-kanal spin
Netherlands, pp. 377-403.
perbedaan resistivitas (resistansi) dua kanal tersebut tidak besar dan artinya perubahan nilai G M R yang terukur juga kecil. 5. S I M P U L A N Dari analisis G M R lapisan tipis permalloy
Kluwer
Academic Publisher,
Rijks, Th.G.S.M. (1996), Layered Thin Films for Sensor Applications: Magnetoresistanc and Magnetic Interaction, Ph.D Thesis Eindhoven University of Technology. Vander Voort, K.G., Willingham, J.M., dan Morris
M e t a l s and Superconductors,
1) Dari analisis XRD dapat diturunkan bahwa
Resistivity
berikut:
L.H. (1995), Simple
dirumuskan beberapa butir kesimpulan
lapisan tipis yang
sebagai
Inexpensive
Measurements
Above
Probe
fo
77 K o
Am.J.Phys.63
pp. 759-760.
dihasilkan menampilkan
dominasi struktur kristal kubus berpusat sisi dengan bidang Miller (111) tegaklurus pada bidang lapisan tipis tersebut.
Watson, J.K. (1994), Magnetic Devices Encyclopedia of Physical Science an Technology, 2 Edition, Volume 9 Academic Press, Inc. New York. nd
2) Resistivitas lapisan tipis terukur menunjukkan ketergantungannya dengan ketebalan.
Zeltser,
A . M . , dan
Smith, N . (1996),
Magnetoresistance
3) Pengukuran G M R berhasil memperoleh dua karakter pokoknya, yaitu watak simetris serta maksimum nilai resistansi di sekitar medan 5=0.
in Evaporated
Gian NiFe/C
and N i F e C o / C u M u l t i l a y e r s , J.App.Phys.79 pp. 9224-9230.
4) Ditemukan pula bahwa respons lapisan tipis terhadap medan magnet terpasang akhirnya akan
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
