1
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Material Giant-Magnetoresistance (GMR) merupakan material yang sedang
dikembangkan di berbagai negara. GMR pertama kali diselidiki oleh Baibich dkk (1988) dalam struktur lapisan tipis magnetik Fe/Cr. Semenjak efek GMR ditemukan, penelitian-penelitian mengenai GMR diarahkan untuk meningkatkan efek GMR, mengecilkan medan magnet yang dibutuhkan, dan meningkatkan kemampuan material-material GMR yang bertahan terhadap temperatur annealing yang tinggi. Material GMR memiliki magnetoresistance (MR) yang tinggi, sifat-sifat magnetik dan listrik yang baik, sehingga sangat berpotensi untuk dikembangkan menjadi berbagai devais pengindera medan magnet generasi mendatang berupa sensor seperti : pengukuran arus (current measurment), pengukuran jarak (measuring displacement), pengukuran kecepatan putaran (anggular speed measurement). Material GMR sebagai penyimpanan data (data storage density), non-volatile magnetic random access memory (MRAM), heads recording yang pertumbuhannya setiap tahun meningkat sampai 60% (Rober dkk, 2005). Disamping itu, material GMR mempunyai kelebihan lain, yakni ukuran yang kecil, daya dan harga yang relatif rendah dibandingkan sensor-sensor magnetik lainnya, serta sifat-sifat magnetik dan listriknya yang dapat divariasikan. Dalam hal ukuran para ilmuwan menyebutnya dengan nanoteknologi, khusus material magnetik disebut nanomagnetik dan penggunaan nanomagnetik dalam nanoteknologi meningkat tajam terutama dalam kapasitasnya sebagai penyimpanan data. Perkembangannya diikuti dengan kebutuhan pasar global yang menginginkan kualitas dan kuantitas kandungan bahan magnetik tersebut. Salah satu divais maupun instrumentasi yang popular untuk menguji kualitas bahan magnetik tersebut adalah sensor GMR (Birlikseven, 1999 & Barnett, 2008). Munculnya divais-divais nanomagnetik GMR tentu memerlukan peningkatan metode untuk memanipulasi struktur skala-atomik dari permukaan dan antarmuka (interface) selama proses fabrikasi film tipis material GMR. Kemampuan meningkatkan efek GMR dapat
1
2
dikontrol melalui komposisi materialnya, pemilihan geometri dan struktur GMR, khususnya struktur dari interface film. Oleh karena itu, sebuah metodologi fabrikasi film tipis yang mampu mengontrol parameter proses deposisi dan komposisi lapisan terhadap mikrostruktur dan sifat-sifatnya sangat diperlukan. Salah satu metode fabrikasi film tipis GMR sesuai dengan kriteria di atas adalah metode sputtering. Metode sputtering dengan Opposed Target Magnetron Sputtering (OTMS) adalah salah satu metode yang dapat dipakai untuk fabrikasi film tipis material GMR. Metode ini memiliki kelebihan yaitu biaya operasional lebih rendah, film yang dihasilkan lebih homogen dalam luasan yang besar, dapat mengurangi proses re-sputtering, dan ionisasi lebih tinggi dibandingkan dari metode lain seperti Opposed Target Sputtering (OTS) dan Molecular Beam Epitaxy (MBE). (Saragi, 2005). Film tipis GMR mempunyai struktur yang berbeda-beda. Masingmasing struktur memiliki efek MR yang berbeda pula. Struktur GMR terdiri dari struktur sandwich, spin-valve (sandwich pinned) dan multilayer. Struktur sandwich merupakan stuktur dasar GMR yang terdiri dari tiga lapisan dengan susunan bahan ferromagnetik / nonmagnetik / ferromagnetik (FM-NM-FM). Struktur spin-valve merupakan struktur sandwich yang diberi lapisan pengunci (pinning layer), sedangkan struktur multilayer adalah struktur dengan pengulangan lapisan ferromagnetik / nonmagnetik (FM/NM)n dengan indek n adalah jumlah pengulangan. Aplikasi GMR sebagai sensor magnet dapat memungkinkan untuk menganalisa sifat kemagnetan dari suatu bahan magnetik, salah satunya yaitu nanopartikel magnetik. Nanopartikel magnetik juga memiliki daya tarik bagi para peneliti dibidang magnetik karena sifatnya yang aplikatif dalam berbagai bidang ilmu, seperti fluida, gel magnetik, bioteknologi, biomedis, katalis, dan magnetik resonance imaging (MRI). Keberhasilan penerapan nanopartikel magnetik di berbagai bidang ilmu sangat tergantung pada stabilitas partikel pada berbagai kondisi yang berbeda. Partikel akan menjadi sangat populer ketika ukuran partikel berada pada range nano yang bergantung pada komposisi materi. Masing-masing nanopartikel tersebut akan menjadi domain magnetik tunggal dan menunjukkan perilaku superparamagnetik, dimana ukuran partikel itulah yang menentukan sifat kemagnetan. Salah satu partikel magnetik yang berukuran nanometer adalah oksida besi seperti magnetite Fe3O4,
3
semakin kecil ukuran butir maka nanopartikel Fe3O4 akan memiliki responsibilitas magnetik yang tinggi (mudah termagnetisasi oleh medan magnet eksternal). Dengan kata lain, efek superparamagnetik akan semakin dominan seiring dengan semakin kecilnya diameter butir nanopartikel magnetik Fe3O4 (Riyanto, 2012). Ukuran partikel, sifat permukaan dan sifat kemagnetan merupakan keunggulan dari nanopartikel magnetit sehingga sangat mudah termodifikasi dengan material lain. Salah satu sifat uniknya adalah keaktifan atom besi Fe pada permukaan nanopartikel magnetite Fe3O4 terhadap elemen material lain, dimana atom Fe pada permukaan nanopartikel magnetik dalam medium air berinteraksi dengan gugus hidroksil (-OH) yang akan membentuk ikatan Fe-OH. Sifat reaktif atom Fe pada permukaan nanopartikel Fe3O4 membuka peluang untuk dilakukannya proses modifikasi oleh polyetilen-glycol (PEG) dan juga dapat dimanfaatkan untuk mengikat biomolekul (Loh dkk, 2008). PEG adalah salah satu jenis polimer yang dapat dipakai untuk membentuk dan mengontrol ukuran partikel. PEG dapat juga berfungsi sebagai templete, yang membungkus partikel sehingga tidak terbentuk agregat lebih lanjut, disebabkan PEG menempel pada permukaan partikel dan menutupi ion positif yang bersangkutan untuk bergantung dan membesar, sehingga pada akhirnya akan diperoleh partikel dengan bentuk bulatan yang seragam. Pemodifikasian nanopartikel magnetik dengan penambahan PEG sangat berpotensi untuk mengikat senyawa biomolekul seperti biomolekul jenis formalin. Kemampuan GMR untuk menganalisa sifat kemagnetan material tidak lepas dari variasi struktur dan komposisi penyusunnya, sehingga variasi struktur thin film berstruktur spin-valve itu akan menyebabkan perubahan respon MRnya yaitu perubahan nilai resistansi terhadap pengaruh medan magnet eksternal. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan diteliti bagaimana perubahan resistansi atau MR yang berbasis thin film GMR struktur spin-valve ketika dilapisi material nanopartikel magnetik Fe3O4, lapisan nanopartikel magnetic Fe3O4 yang telah dimodifikasi dengan polimer PEG-4000 serta lapisan nanopartikel magnetik Fe3O4 yang termodifikasi dengan PEG dan mengikat biomolekul jenis formalin.
4
1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas, permasalahan yang timbul dan perlu dikaji lebih lanjut pada penelitian ini adalah: 1. Bagaimana sifat Giant-Magnetoresistance (GMR) thin film spin valve ketika ketebalan lapisannya divariasikan 2. Bagaimana fenomena perubahan hasil pengukuran magnetosistance (MR) dengan menggunakan sensor thin film GMR berstruktur spin-valve ketika dilapisi oleh : -
material nanopartikel magnetik Fe3O4,
-
material nanopartikel magnetik Fe3O4 yang telah dimodifikasi dengan polimer PEG-4000,
-
material nanopartikel magnetik Fe3O4 termodifikasi dengan PEG-4000 yang telah mengikat biomolekul jenis formalin.
1.3 Batasan Masalah Lingkup penelitian ini dibatasi pada fenomena perubahan magnetoresistance (MR) berbasis thin film GMR struktur spin-valve ketika dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4), dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4) + PEG, dan dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4) + PEG + biomolekul formalin. Dimana pengujian dilakukan pada suhu kamar, kelembaban 62%, dan tanpa menghitung pengaruh partikel debu dan kecepatan angin dalam ruangan. Fabrikasi thin film GMR CoFeB/Cu/CoFe/MnIr telah dilakukan di Department of Quantum Engineering, Nagoya University, Furo-cho Chikusaka-ku, Nagoya, Jepang.
1.4 Tujuan Penelitian Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1.
Menentukan karakteristik Giant-Magnetoresistance (GMR) pada thin film spinvalve ketika ketebalan lapisannya divariasi
2.
Menentukan nilai perubahan Magnetoresistance (MR) dengan sensor thin film Giant-Magnetoresistance (GMR) ketika dilapisi oleh lapisan nanopartikel
5
magnetik dengan pemodifikasian menggunakan polimer PEG-4000, dan ketika dilapisi oleh lapisan nanopartikel magnetik dengan pemodifikasian menggunakan polimer PEG-4000 yang telah terikat dengan biomolekul jenis formalin.
1.5 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai perubahan nilai
magnetoresistance
(MR)
berbasis
sensor
thin
film
GMR
Giant
Magnetoresistance (GMR) struktur spin valve yang memvariasikan ketebalan thin film. Ini juga dapat diperoleh nilai perubahan MR ketika dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4), dilapisi oleh material nanopartikel magnetik (Fe3O4) termodifikasi dengan polimer PEG-4000, dan dilapisi oleh material nanopartikel magnetik (Fe3O4) termodifikasi dengan polimer PEG-4000 yang telah mengikat biomolekul jenis formalin.
1.6 Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut: 1. Bab I menjelaskan latar belakang perkembangan GMR, fabrikasi GMR, dan berbagai aplikasi dalam nanoteknologi, diantaranya sensor magnet. Analisa sifat GMR akibat pemberian medan magnet eksternal dan ketika dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4), dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4) + PEG, dan dilapisi oleh material nanopartikel magnetit (Fe3O4) + PEG + biomolekul fomalin, rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. 2. Bab II memuat hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya yang mendukung dilakukannya penelitian mengenai pengaruh medan eksternal ketika dikenai pada sebuah thin film GMR terhadap nilai resistansi dan rasionya, sintesis nanopartikel Fe3O4 dengan pemodifikasian menggunakan polimer PEG-4000, dan sensor magnetik GMR. 3. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai dipol magnetik, orientasi momen magnet, domain magnetik, histeresis loop, struktur spin-valve GMR, kopling
6
interlayer, exchange bias, arus spin, SPFFM, nanopartikel magnetik dan sifat superparamagnetik, dan metode karakterisasi material. 4. Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, skema dan prosedur penelitian, dan teknik analisis data. 5. Bab V memuat pembahasan hasil dari penelitian yang telah dilakukan. 6. Bab VI memuat kesimpulan dan saran.