Fisika2015 09 Material 02 Ahmad Asrori Nahrun

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015

Penumbuhan multilayer [NiFe/Cu] dengan metode elektrodeposisi
sebagai bahan dasar sensor magneto-impedansi
AHMAD ASRORI NAHRUN*), ISMAIL, B. ANGGIT WICAKSONO, MUHAMMAD AMIRUDIN, NURYANI, BUDI
PURNAMA**)
Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret.
Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Surakarta
*)
E-MAIL: asrori_nahrun@yahoo.com, **bpurnama@mipa.uns.ac.id
*)PENULIS KORESPONDEN
TEL: +62-271-669017; FAX: +62-271-669017
ABSTRAK: Telah dilakukan penumbuhan multi-lapis (multilayer) dengan struktur
[Ni80Fe20/Cu]N pada substrat kawat Cu sebagai bahan dasar pembuatan sensor magnetoimpedansi.
Proses elektrodeposisi dilakukan pada suhu ruang dengan elektrode Pt.
Karakteristik XRF menegaskan bahwa lapisan tipis magnetik permalloy telah terbentuk
diindikasi dengan komposisi unsur nikel (Ni) dan besi (Fe) adalah 80 : 20. Hasil ini diperkuat
dengan hasil analisis XRD bahwa puncak spektral terbentuk pada sudut 2 = 43,367 bersesuaian
dengan bidang Miller (hkl) = (111). Karakteristik spektral XRD ini merupakan spektral dari
unsur permalloy. Aplikasi sampel multi-lapis [Ni80Fe20/Cu]N sebagai sensor magneto-impedansi
membuka peluang potensi pemanfaatan sebagai sensor magnetik dengn sensitifitas tinggi pada

substrat fleksibel.
Kata Kunci: Multi-lapisan, Permalloy Ni80Fe20, spacer Cu, Magneto-impedansi.

PENDAHULUAN
Aplikasi dari sensor magnet sudah
merambah di segala devais elektronika.
Secara konvensional, sensor magnet
digunakan pada pembacaan data head
sistem recording seperti piringan hitam,
tape recording dan saat ini hard disk.
Salah satu material yang banyak
digunakan sebagai material sensor adalah
permalloy (Ni80Fe20). Hal ini mengingat
karakteristik unggul dari permalloy yaitu
medan koersif dan magnetostriksi yang
rendah. Kedua karakteristik magnetik ini
menjadi tuntutan guna merealisasikan
sensor dengan sensitifitas tinggi (Gupta
dkk, 2008).
Pada

makalah
ini,
studi
penumbuhan multi-lapisan tipis permalloy
disajikan.
Metode penumbuhan yang
digunakan
adalah
elektro-deposisi,
sedangkan substrat yang dipakai adalah
lempeng PCB tembaga. Sedangkan kinerja
multi-lapisan tipis permally sebagai
sensor
magnet
diamati
melalui
pengamatan
magneto-impedansi
(MI)
(Ripka, 2001). Sampel multi-lapisan tipis

yang diperoleh dikarakterisasi dengan
menggunakan XRF, XRD dan pengukuran
ISBN 978-602-7273-1-9

fenomena MI berbasis metode empat titik
(four point probe).
METODE PENELITIAN
Prosedur deposisi lapisan tipis
yang
digunakan
adalah
metode
elektrodeposisi yaitu dengan mengalirkan
arus pada dua elektrode dalam larutan
elektrolit sehingga ion-ion atom elektrolit
terdisosiasi dan menempel pada substrat.
Kawat Pt (Platina) dipakai sebagai
elektrode dan substrat Cu dipakai sebagai
elektrode dimana ion-ion terdeposisi
sebagai lapisan tipis. Mula-mula, laju

deposisi ditentukan untuk masing-masing
lapisan
dengan
menggunakan
ketergantungan waktu dengan ketebalan.
Dengan menggunakan laju ini, kemudian
dibuat multi-lapisan sebagai sensor medan
magnet. Untuk menentukan komposisi
unsur yang terdeposisi digunakan XRF
sedangkan struktur kristal lapisan yang
terbentuk digunakan XRD. Akhirnya
sampel
multi
lapisan
tipis
diuji
karakteristik sensor melalui pengukuran
magneto-impedansi.

F-M-1

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
HASIL DAN PEMBAHASAN
(111)

Ni80Fe20
Cu

8000
6000
4000

Intensitas (a.u)

Ketebalan (nm)

10000
(200)

Cu

Ni80Fe20
(111)

2000
0
0

30

500
1000 1500
Waktu (Detik)

Gambar 1. Grafik ketebalan sebagai fungsi
waktu dengan slope/kemiringan kurva
menunjukkan laju deposisi yaitu 2 nm/s
untuk NiFe dan 6 nm/s untuk Cu

Proses penentuan laju deposisi ini dengan

melakukan elektrodeposisi Ni-Fe dan Cu
pada substrat PCB dengan luasan deposisi
11
cm.
Untuk
deposisi
Ni-Fe
menggunakan tegangan dc sebesar 3,5
volt, dengan rapat arus 15,5 mA/cm2.
Sedangkan untuk Cu menggunakan
tegangan dc sebesar 3 volt dengan rapat
arus 8 mA/cm2. Grafik ketebalan sebagai
fungsi waktu ditampilkan pada Gambar 1.
Laju
deposisi
ditunjukkan
dari
kemiringan kurva tersebut. Dari analisis
grafik diperoleh perkiraan laju deposisi
Ni-Fe adalah 2 nm/s dan C adalah 6 nm/s.

Untuk menentukan komposisi unsur yang
terdeposisi pada substrat, karaketerisasi
XRF telah dilakukan (grafik tidak
ditampilkan).
Hasil yang diperoleh,
komposisi atom Ni dan Fe pada lapisan
tipis Ni-Fe yang terbentuk adalah 80 : 20.
Hasil ini menegaskan bahwa sampel
lapisan tipis yang terbentuk adalah
permalloy.
Untuk
memastikan
bahwa
permalloy telah terbentuk, struktur
kristal lapisan dikarakterisasi dengan
XRD. Spektral XRD hasil karakterisasi
ditunjukkan pada Gambar 2.

ISBN 978-602-7273-1-9

40

2θ(derajat)

Ni80Fe20/Cu

50

60

Gambar 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

Grafik 2 merupakan grafik analisis XRD
dari lapisan tipis Ni80Fe20 dengan
ketebalan 1800 nm yang dideposisikan
dengan metode elektrodeposisi pada

substrat Cu. Grafik (a) merupakan grafik
XRD untuk substrat Cu, dan grafik (b)
merupakan grafik XRD untuk lapisan
NiFe di atas substrat PCB Cu.
Berdasarkan JCPDS sampel Cu No.
04.0836, puncak spektral XRD pada sudut
2 = 43,367 bersesuaian dengan bidang
Miller (hkl) = (111) dan sudut 2 = 50,510o
bersesuaian dengan bidang Miller (hkl) =
(200). Jelas termati dari Gambar 4.3 (b)
bahwa spektral XRD yang muncul
merupakan kombinasi dari unsur Cu dan
elemen/alloy lain yang terbentuk saat
elektrodeposisi. Alloy berstruktur fcc yang
terbentuk diindikasikan dari puncak
karakteristik spektral XRD pada sudut 2
= 44,396 bersesuaian dengan bidang
Miller hkl (111) adalah permalloy Ni80Fe20
(Rijks, 1996).
Setelah sampel dibuat, maka sampel

diuji karakteristik perubahan impedansi
dengan medan magnet (H). Pengukuran
dilakukan pada suhu ruang, dengan arah
medan magnet (H) sejajar arah panjang
sampel.
Hasil pengukuran dapat
ditunjukkan Gambar 3.

F-M-2

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
potensi pemanfaatan sebagai sensor
magnetik dengn sensitifitas tinggi pada
substrat fleksibel.

)(%)

DAFTAR RUJUKAN
Amiruddin, M., Utari, and Budi, P. 2014.
Fenomena Magneto-impedansi untuk
Frekuensi Rendah pada Multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N Hasil Elektro-deposisi.
Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 10,
No. 2, pp. 95 - 98.

0.007
0.006

ΔZ/Z (H

Z (Ohm)

0.008

0.005

Atalay, F.E., and Atalay, S. 2005. Giant
magnetoimpedance effect in NiFe/Cu
-20
0
20
40
plated wire with various plating
H (mT)
thicknesses.
Journal
Alloys
&
Gambar 3. Karakteristik kurva magnetoCompound, Vol. 392, pp. 322-328.
N
impedansi sampel [Ni80Fe20(800
Gupta, R., Gupta, M., Gutberlet, T., 2008.
nm)/Cu(150 nm)]3 dievaluasi pada f
Magnetization in Permalloy Thin Films.
= 20 kHz
Jurnal of Physics, Vol. 71, No. 5, pp.
1123-1127.
Teramati dengan jelas karakteristik
simetri dari kurva magneto-impedansi. Knobel, M., Vazquez, M., and Kraus, L.,
Saat medan H = 0, impedansi listrik
2003. Giant magnetoimpedance. In:
menunjukkan
nilai
maksimum.
Buschow KH, editor. Handbook of
Kemudian nilai impedansi berangsurmagnetic materials. Elsevier Science
angsur turun dengan kenaikan medan dan
B.V., Vol. 15, pp.1-69.
mencapai nilai jenuh sekitar 30 mT. Rasio Kuzminski, M., Nesteruk, K., Lachowicz,
magnetoimpedansi dapat dihitung dengan
H.K., 2008. Magnetic Field Meter Based
rumus Z/Z = [Z(H)-Z(Hmax)]/ Z(Hmax)
on giant Magnetoimpedance Effect.
diperoleh nilai rasio magneto-impedansi
Sensors and Actuators, Vol. 141, pp. 68sebesar 95%. Hasil ini mengindikasikan
75.
bahwa sampel multi-lapisan yang dibuat
Nakayama, S., Atsuta, S., Shinmi, T., and
sesuai untuk aplikasi sensor medan
Uchiyama, T., 2011. Pulse-driven
magnet.
Magnetoimpedance Sensor Detection of
KESIMPULAN
Biomagnetic Fields in Musculatures
Telah dilakukan penumbuhan multiwith Spontaneous Electric Activity,
lapis
(multilayer)
dengan
struktur
Biosensors and Bioelectronics, Vol. 27,
[Ni80Fe20/Cu]N pada substrat kawat Cu
pp. 34 – 39.
sebagai bahan dasar pembuatan sensor Panina, L. V., 2011. Electromagnetic
magneto-impedansi.
Proses
sensor
technology
for
boimedical
elektrodeposisi dilakukan pada suhu
applications, Recent Aplication in
ruang dengan elektrode Pt. Karakteristik
Biometrics. Plymouth: InTech.
XRF menegaskan bahwa lapisan tipis
Raposo, V., Flores, A.G., Zazo, M., Iniguez,
magnetik permalloy telah terbentuk
J.I., 2003. Magnetic After Effect of Giant
diindikasi dengan komposisi unsur nikel
Magnetoimpedance
in
Amorphous
(Ni) dan besi (Fe) adalah 80 : 20. Hasil ini
Wires. Journal of Magnetism and
diperkuat dengan hasil analisis XRD
Magnetic Materials, Vol. 254, pp. 204bahwa puncak spektral terbentuk pada
206.
sudut 2 = 43,367 bersesuaian dengan
bidang Miller (hkl) = (111). Karakteristik Ripka, P., 2001. Magnetic sensors and
magnetometers. London: Artech House
spektral XRD ini merupakan spektral dari
Publishers.
unsur permalloy. Aplikasi sampel multilapis
[Ni80Fe20/Cu]N
sebagai
sensor Uchiyama, T., Mohri, K., Honkura, Y., and
magneto-impedansi membuka peluang
Panina, L.V., 2012. Advances of Pico-

Δ

0.004
-40

ISBN 978-602-7273-1-9

F-M-3

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
Tesla Resolution Magneto-Impedance
Sensor Based on Amorphous Wires
CMOS
IC
MI
Sensor.
IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 48, No.
11, pp. 3833 – 3839.
Wang, T.E., Yang, Z.E., Lei, C., Lei, J.I,
and Zhou, Y., 2014. An Integrated Giant
Magnetoimpedance
Biosensor
for

ISBN 978-602-7273-1-9

Detection of Biomarker. Biosensors and
Bioelectronics, Vol. 58, pp. 338 – 344.
Zhong, Z., Zhang, H., Jing, Y., Tang, X.,
Liu, S., 2008. Magnetic Microstructure
and Magnetoimpedance Effect in
NiFe/FeAIN Multilayer Films. Sensors
and Actuators, Vol. 141, pp. 29-33.

F-M-4