58
ISSN 0216-3128
EFEK GIANT MAGNETORESISTANCE PERALIHAN Co,Ni,Cu
Tri Mrardji A/mono, dkk.
PADA
LOGAM
Tri Mardji Atmono, Yunanto P3TM-BATAN
K. RlSlI Kassel-University-Germany
ABSTRAK EFEK GIANT-MAGNETORESISTANCEPADA LOGAM PERALIHAN Co. Ni. Cu. Telah dilakukan penelitian dari efekmedanmagnit terhadaptahananlistrik pada sistem Co/CuiCo/NiO dengansubstratSi. Cuplikan dalam bentuk lapisan tipis dihasilkan denganmetode Sputtering pada frekuensi 13.5 MHz. Amplitudo GMR diteliti sebagaifungsi ketebalanspacerCu dan ketebalanlapisan tipis ferromagnetik Co. Gejala GMR maksimal pada sistem lapisan Si/Co/CuiCo/NiO muncul pada saat teljiadi kopling Antiferromagnetik (AFM)antarafree layer denganpinned layer. Meskipunjuga terjadi pada saat kedua arah magnetisasisaling parallel (kop/ing ferromagnetik). tetapi nisbah GMR sangat keci/. wa/aupun resistanjenuh mencapai)5 n Hasi/ tersebutdiperolehberdasarkanpengamatanefek GMR sebagaifungsi /apisan Cu yang dideposisidiantara /apisan-/apisanmagnetikCo. dimana keteba/an3 nm (untuk Cu) dan 12 nm (untuk Co) memberikanhasi/ nisbah 3.5 % untuk kop/ing AFM. Pergeserandari gaya koersitiv /apisan tipis Co-3nmsebesar75gaussmerupakanefekdari NiO sebagai/apisananti-ferromagnetik.
ABSTRACT THE GIANT-MAGNETORESISTANCE (GMR) OF THE TRANSITIONSMETAL Ni, Fe. Co. The influence of the magneticfield on the resistance of of the systemColCuiColNiO with Si substrat have been investigated.Thesamplesin theform ofthin films wereproduced bymeans ofSputteringat thefrequenz of 13.5 MHz. GMR-Amplitudeweredetectedasfunction of the thicknessofthe Cu-spacerand the thickness ofCo-thinfilms. If the coupling betweenfree layer and pinned layer at the systemofSi/ColCuiColNio was Antiferromagnetic(AFM), the GMR-effectreachedthe maXimalvalue. The GMR is also occurred by the ferromagnetic-coupling.but the ratio wasnegligible. although the saturation of the resistan.::ewas25 il This result was achievedfor theAFM-couplingbasedon the measurementof the GMR-effectas afunction ofthe Cu-thicknessdepositedbetweentheCo magneticlayers, wherethe ratio of3.5 % wasreachedat the Cu- and Co thicknessof3 nm and 12 nm respectively.Theshifting of75 gauss ofthe thin film Co-3nmwas the effect of theNiO as antiferromagneticlayer.
PENDAHULUAN P
erUbahantahanan listrik suatu bahan penghantar (konduktor) karena pengaruh medan luar, yaitu ketergantungan sifat kelistrikan oleh medan magnit, secara umum dinamakan Magnetoresistan (MR = Magneto Resistance). Penyebabdari gejala ini dapat berbeda dari satu material ke material lainnya, tergantung pacta jenis dan struktur bahan. Pacta penghantar non-magnetik, efek tersebut berasal dari gaya Lorentz, di mana medan magnit mempengaruhi elektron yang sedang bergerak, perubahan tahanan di sini sangat kecil, kira-kira 1,3 x 10.3 %/kOe(I). Untuk bahan yang bersifat magnetik, khususnya dalam bentuk lapisan tipis (thin film) maka efek polarisasi dari spin (spin-up dan spin down) memberikan kontribusi yang besar terhadap MR. Pacta bahan ferromagnetik, besamya tahanan listrik bergantung dari arah magnetisasi
terhadap arah arus listrik, dinamakan Anisotropic Magnetoresistance (AMR), dapat mencapai 5% pada Permalloy untuk medan rendah (H < 10 Oe). Oleh karena itu gejala AMR sangat tepat pada aplikasinya sebagai senso~2.3),seperti pada readinghead untuk hard-disc. Pengaruh medan magnet terhadap material yang bersifat magnetik dengan spacer non magnetik dan juga pada sistem multilayer memberikan efek MR. yang paling besar, dan disebut GMR (Giant Magnetoresistance), dapat mencapai 70% pada suhu rendah(4). Gejala ini merupakan efek dari hamburan (scattering) elektron penghantar pada perbatasan antara lapisan, dimana kebolehjadian hamburan dari elektron dengan spindown lebih besar daripada elektron dengan spin-up, karena arahnya anti parallel terhadap magnetisasi. Ukuran dari gejala Magnetoresistan ini pada umumnya diungkapkan dalam nisbah GMR, biasanya relatif terhadap medan tinggi: ~R/Rj =
Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teklnologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
ISSN 0216-3128
Tri Mardji Atmono, dkk.
. (Rmax-Rj)/Rj, dimana Rmax adalah besarnya tahanan maximal dan Rj adalah tahananpactamedan besar, dicapai pacta saat orientasi dari magnetisasi sejajar satu terhadap lainnya. Oleh karena adanya perubahan besarnya tahanan sebagai fungsi medan luar, maka efek GMR, khususnya sistem SpinValves dapat diaplikasikan antara lain pactabidang Magnetoelektronik, diantaranya pengukuran besarnya derajat rotasi pemutaran suatu sistem, perhitungan banyaknya putaran, ketepatan posisi, kecepatan, percepatan daD lain-lain. Aplikasi ini dapat dicapai dengan menggunakan material dari logam peralihan (Ni, Fe, Co) yang dipadu dengan Cu atau Ag dan juga Au untuk membentuk suatu sistem lapisan tipis yang sesuaidiatas substrat gelas atai Si, khususnya single kristal (1,0,0). Tentunya diperlukan suatu metode preparasi dengan tujuan menciptakan thin film dengan sifat sesuai dengan tuntutan aplikasinya, yaitu dengan parameter yang sistematis dan reproducible. Untuk memberikan kontribusi dalam bidang tersebut maka telah dilakukan penelitian yang dilaporkan dalam makalah ini, yaitu gejala GMR pacta lapisan tipis logam peralihan Co daD Permalloy NiFe serta lapisan spacer Cu.
T AT A KERJA DAN PERCOBAAN Untuk preparasi lapisan tipis digunakan sistem RF-Sputtering dengan target material adalah logam peralihan serta pemisah berupa tembaga mumi yang sekaligus juga merupakan target pada posisi katoda. Sedangkan pada anoda dipasang substrat Si dengan diameter 10 mm, tidak dipasang
59
tegangan bias (ground-positzon). Sebagai sputtergas digunakan Argon dengan kemumian tingi 99,995%. Gas argon yang terionisasi oleh tegangan RF menghasilkan ion-ion argon yang dipercepat dengan tegangan self-bias menuju dan menembaki material target. Partikel dari target ini kemudian terkumpul pacta anoda dan membentuk lapisan tip is di atas substrat silikon. Paramatersputtering adalah sebagai berikut: tekanan vakum 10-6 robar, tekanan gas argon 10-2 robar, tegangan self bias 1000 V-DC, arus katoda 120 mA (sesuai dengan daya 120 W), jarak elektroda 60 mm dan waktu sputtering disesuaikan dengan sputter-rate untuk memperoleh ketebalan thin film yang dikehendaki. Untuk pengukuran ketebalan digunakan stylus DEKTAK, sedangkan komposisi diuji dengan EDAX. Penelitian perubahan tahanan listrik sebagai fungsi medan magnet luar dilakukan dengan menggunakan metodafour-point-probe dengan tegangan AC pada frekuensi 1 kHz dan arus listrik dalam orde mA. Teknik pacta metode ini adalah CIP (current in plane) dengan medan magnet sejajar bidang lapisan tip is, sejajar dengan arah EA(easy axis), meskipun pacta umumnya tidak acta arah yang jelas dari HA(hard-axis) pacta bidang lapisan tip is untuk sistem lapisan tipis dari logam peralihan, artinya bersifat isotrop. Untuk memperoleh hubungan signal to noise ratio yang besar maka digunakan Lock-in-Amplifier yang sekaligus berfungsi sebagai penguat sinyal. Skema rangkaian untuk pengukuran GMR ditunjukkan pacta Gambar 1. Untuk pengukuran besar/sifat magnetisasi M khususnya kurva hysterisis dan gaya koersitiv yang berhubungan dengan nisbah-GMR, dilakukan penelitian dengan VSM( Vibrating-Sample-Magnetometer).
Gambar 1. Set-up pera/atan deteksi pada metode pengukuran GMR.
Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar Ilmu Pengetahuan dan T,eknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
HASIL DAN PEMBAHASAN
3 nm.
Pel1ama kali diteliti ketergantunganGMR dari ketebalan lapisan Cu, hasilnya ditampilkan pactaGambar2. Sistem lapisansebagaicuplikan adalah : Si/Co-12 nm/Cu-parameter/Co-3 nm/NiO50 nm. Rate dari gas oksigen untuk membentuk lapisan antiferromagnetik NiO pacta proses sputteringdengantargetNi adalahsebesar0,8 sccm yang merupakan angka optimal agar terbentuk lapisanpinning untuk mengikatlapisanCo seoagai pinned-layer yang mengapit spacer Cu. Tampak bahwa gejala GMR adalahpaling besaruntuk tebal
ferromagnetik (AF-coupling) yang kedua. Sedangkan pada tebal sekitar 2 nm terjadi koppling
Disini kemungkinan terjadi kopling anti-
ferromagnetik. AF-coupling yang pertama terjadi disekitar t = I nm. Efek GMR
sebagai fungsi daTi ketebalan
lapisan Co-free layer ditampilkan pada Gambar 3. Co merupakan salah sam logam peralihan yang bersifat ferromagnet dengan suhu Curie yang relatif tinggi dan gaya koersitiv yang juga relatif besar, tetapi menurun dengan bertambahnya ketebalan.
Gambar 2. EfekGMR sebagaifungsidari ketebalanlapisanspacerCu.
Gambar3. EfekGMRdar:ilapisanCo sebagaifungsidari ketebalan.
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
Tri Mardji Almono, dkk.
ISSN0216-3128
Meskipun lapisan tipis Co yang berdiri sendiri tidak menunjukkan efek GMR, tetapi sebagai salah satu komponen sistem lapisan tipis Si/Co/Cu/Co/NiO, terjadi efek perubahan tahanan Rj (menjadi Rmax) sebagai akibat dari pengaruh medan luar. Efek ini temyata merupakan fungsi dari ketebalan free layer. Tampak pada Gambar 3 bahwa nisbah GMR diperoleh harga maksimal untuk t = 12 nm. Perbedaan dengan Gambar 2 (Cu sebagai fungsi dari ketebalan) adalah bahwa disini tidak muncul efek osilasi dari kopling FM-AFM. Hal ini tentunya berhubungan erat dengan struktur lapisan tipis serta kopling RKKY yang muncul pada Cu(S). Pada Gambar 4 disajikan hasil pengukuran GMR sebagai fungsi dari medan magnet luar pada lapis an Si/Co-12 nm/Cu-3nm/Co-3 nm/NiO-50'nm. Tahanan awal (Rj) pada sistem lapisan tersebut adalah sebesar24,8.0.. Tahanan ini diperoleh pada saat medan luar diatas 100 Gauss di mana orientasi dari magnetisasi lapisan Co-12 nm adalah parallel terhadap magnetisasi Iapisan Co-3 nm yang berfungsi sebagai pinned-layer. Medan luar kemudian diturunkan, sampai terjadi proses pembalikan magnetisasi yang menandakan bahwa kedua lapisan Co yang mengapit lapisan tipis Cu saling
antiparallel,
Prosiding
diperoleh tahanan maksimal
Pertemuan
61
(Rmax). Bila kemudian medan magnet terus diturunkan, kemudian melewati 0 dan kearah negatif, terjadi proses pembalikan magnetisasi dari Co-pinned layer, dicapai orientasi parallel (negatit) dengan nisbah GMR minimal. Proses yang sarna pada Co-free layer akan terjadi pada saat medan luar divariasi dari harga negatif besar menuju nol kemudian ke harga positif besar/jenuh, seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Dari hasil pengukuran ini diperoleh nisbah dari efek GMR sebesar3,5%. Hasil ini adalah 2 kali lipat dari penelitian oleh Urbaniak dkk.,(6)di mana ketebalan NiO oleh peneliti ini sebesar 20 nm dan Cu setebal 5nm Hasil ini sekaligus memberikan ketebalan optimal dari sistem lapisan Co/Cu/Co /NiO di atas substrat Silikon untuk memperoleh efek GMR yang terbesar. Gambar 5 adalah kurva hysterisis dari sistem lapisan tipis diatas. Pada medan 15 gauss terjadi pembalikan arab magnetisasi dari lapisan Co-12 nm (merupakan free layer), terbentuk formasi antiparallel dari free-layer tersebut dengan pinnedlayer. Kemudian mulai terjadi proses rotasi momenmagnetik (180 derajat) pada 110 gauss dari Co-3 nm yang berarti kembali ke formasi parallel dari magnetisasi pada kedua lapisan tip is.
dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
dan Teknologl
Nuklir
62
ISSN 0216 -3128
Tri Mardji Atmono, dk/(.
3 2
"3'
~ 'td
1 0
.:2,
~
~
Gambar 5. Kurva hysterisisdari sistem/apisantipis Si/Co/CuiCo/NiO.
raJa sumbu Y (ordinat) tidak perlu kalibrasi sinyal terhadap magnetisasi karena dalam hal ini tidak diperlukan besarnya nilai mutlak dari mqmen magnetik Terlihat pada Gambar 5 bahwa telah terjadi pergeseran Hc, yaitu bahwa pembalikan arab magnetisasi tidak simetris mengapit sumbu-Y , melainkan pada 75 gauss. Hal ini menandakan bahwa lapisan NiO berfungsi sebagai pinned layer.
Jadi sesungguhnyabesarnyaHc adalah40 gauss. Besarnya pergeseran ini diberikan oleh(7) Hp = (l\a)/ M.t Oi mana Aa adalah energy-exchange antara kedua lapisan, M clan t masing-masing adalah adalah besamya magnetisasi daD ketebalan dari lapisan ferromagnetik Co. Oari hasil pengukuran ini terlihat jelas adanya kopling antara kedua lapisan tip is Co sebagai ji'ee layer daD Co sebagai pinning layer. Lain sekali dengan sistem spin-valves(B),dimana pada sistem tersebut terjadi perbedaan Hc pada kedua lapisan, tanpa adanya kopling (exchangecoupling), meskipun terjadi perubahan gaya koersitiv antara sistem lapisan dengan lapisan tunggalnya. Terbentuknya kopling tersebut juga ditandai dengan kurva GMR yang antisirrietris (bandingkan dengan(B)yang berbentuk simetris), dimana pada saat medan luar Dol sudah terjadi orientasi anti parallel antara momen magnetik dari kedua lapisan tip is. Sedangkanbesamya pergeseran gaya koersitiv sangat bergantung dari rate dari gas oksigen pada saat proses sputtering Ni untuk membentuk lapisan antiferromagnetik NiO clanjuga tekanan gas argon, karena disini terjadi proses
reactive-sputering yang sangat kompleks. Dalam experimen, tidak mudah untuk memperoleh medan bias tersebut, artinya hanya dengan parameter yang sangat tertentu saja akan terjadi proses pergeseran dari gaya koersitiv. Pada Gambar di atas terjadinya pergeseran Hc adalah pada saat rate dari oksigen sebesar 0,8 sccm, tegangan self bias sedikit diatas 1000 V-DC, lapisan tipis disusun dalam sistem topspin-valves (bukan spin-valves normal seperti pada 18/) dan sarna sekali tidak muncul untuk sistem bottom-spin-valve.~. Kemungkinan penyebabnya adalah bahwa substrat Si(100) yang sangat berpengaruh terhadap terjadinya reactive-sputtering, kemungkinan terbentuknya textur berdasarkan susunan single crystal dari substrat, sehingga bahkan lapisan tersebut tidak berfungsi sebagai pinned-layer. Dalam aplikasinya lapisan yang demikian sangat tepat sebagai sensor magnet untuk medan rendah, karena tahanan listrik sebagai fungsi medan dapat terdeteksi sampai medan yang kecil dalam orde dibawah 20 gauss. Untuk aplikasi ini harus ditentukan daerah linier dari GMR sebagai fungsi dari medan magnet luar.
KESIMPULAN Pengukuran Magnetoresistan di atas memberikan kesimpulan penting dari hasil penelitian ini, yaitu bahwa gejala GMR maksimal pada sistem lapisan Si/Co/Cu/Co/NiO muncul pada saat terjadi kopling Antiferromagnetik antara free layer dengan pinned layer. Meskipun juga terjadi pada saat kedua
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Tel<nologi Nukiir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
ISSN0216-3128
Tri Mardji A tmon0, dkk.
arah magnetisasisaling parallel,tetapinisbahGMR sangatkecil, walaupun resistanjenuh mencapai25 o. Hasil tersebut adalah berdasarkanpengamatan efek GMR sebagaifungsi lapisan Cu yang diapit olehkedua lapisanmagnetikCo, dimanaketebalan3 nm memberikanbasil nisbah3,5 %. Efek dari NiO sebagai lapisan antiferromagnetik jelas sekali fungsinya yang mampu menggesergaya koersitiv dari Co-3 nm, terukur padakurve hysterisissebesar 75 gauss. Dipadu dengangaya koersitiv sebesar15 gaussyang dihasilkan olehCo-12 nm, maka sistem lapisan ini merupakankandidat yang tepat dalam aplikasinyasebagaisensoruntuk medanrendah.
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Alexander yon Humboldt Foundation yang telah memberikan beasiswa Postdoc untuk penelitian mengenai efek GMR pada Kassel-UniversityGermany. Kepada pimpinan BAT AN penulis juga mengucapkan terimakasih atas izin yang diberikan untuk mengikuti program Postdoc ini.
DAFTARPUSTAKA C.KITfEL, Quantum Theory of Solids, John Wiley & Sons,New York, p. 237,1988. T.R.Mc GUIRE, R.I.POTfER, Mag., II,p.l018,1995.
IEEE-Trans. .
3
S.TUMASKI, Thin films Magnetoresistive Sensors,ed Institute of Physics Publishing, Philadelpia,2001.
4
P.GRUENBEG, R.SCHREIBER, Y.PANG, M.B.BRODSKY, H.SOWERS, Phys. Rev. Letters,57, p. 2442,1996. S.P.PARKIN, R.BHADRA, K.P.ROCHE, Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers,PhysicalReview Latters,Vol 66, 16,2152,1997.
6. M.URBANIAK, 7
T.LUCINSKI, Molecular PhysicsReports,21,167-170,1998. M.H. MEIKLEJOHN, C.P. BEAN, New Magnetic Anisotropy,Phys. Rev. Letters, 102 (5),1413,1995.
8
valves FeNi/CulCo,
Prosiding
PPI
P3TM
BATAN, 22,2001.
TANYAJAWAB Tjipto Sujitno -Dalam sistem bilayer MR, atau lebih yang memberi sumbangan sifat magnetik itu pas plida interfacenya atau yang mana. -Untuk sistem lapisan yang terdiri dari bahan magnetik dan non magnetik, kenapa bisa muncul
UCAP AN TERIMAKASIH
5
63
.
T.ATMONO, K.ABRAHA, E.SUHARYADI, K.H.OTfO, MagnetoresiostanPada Lapisan Tipis Fe dan Aplikasinya Pada SystemSpin-
GMR. Tri Mardji Atmono
-Kontribusi terbesar pada efek GMR adalah hamburanpada interface-layer,yaitu hamburan yang bergantung pada polarisasi spin dari elektron penghantar. Sehingga nisbah GMR terbesar di alas 20% terjadi pada multi layer, umpamanyaCo/CuiCo/Cu atau pada sistem Cr/Cu. -Bahan konduktor yang bersifat non magnetik pada umumnyadigunakansebagaibuffer,seperti Ti, Au, Ag, dll. Kombinasimaterial magnetikdan non magnetik akan menghasilkan GMR yang besar karena hamburanpada perbatasan buffer layeryang bergantungpada spin.
Suryadi -Bagaimana
pengaruh ketebalan Co
terhadap
GMR? -Bagaimana
pengaruh suhu terhadap GMR?
Tri Mardji Atmono -Diperoleh suatu ketebalan Co yang optimum dim ana efek GMR adalah paling besar. Pada penelitian ini, ketebalan optimum untuk fi"eelayer adalah 12 nm don pinned layer sebe.\"'" 3 nm.
-Pengaruh suhu terhadap GMR tidak dipub/ikasikandisini. secara umum efek GMR akanmenurundengankenaikantemperatur.
