Fisika2015 09 Material 04 B. Anggit Wicaksono
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
Ketergantungan Mangneto-Impedansi Multilayer [Nife/Cu] dengan
Jumlah Perulangan Lapisan Magnetik dan Ketebalan Spacer Cu
B. ANGGIT WICAKSONO*), ISMAIL, AHMAD ASRORI NAHRUN, NURYANI, BUDI
PURNAMA**)
Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret.
Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Surakarta
*
E-MAIL : WICAKGITYA@GMAIL.COM, **BPURNAMA@MIPA.UNS.AC.ID
*)PENULIS
KORESPONDEN
TEL: +62-271-669017; FAX: +62-271-669017
ABSTRAK: Magneto-impedansi; yaitu perubahan nilai impedansi akibat medan pengimbas luar
terpasang Z (H) pada multilayer [Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi secara eksperimental
bergantung dengan strukturnya. Variabel tersebut diantaranya variabel ketebalan lapisan
konduktif (spacer) Cu dan jumlah perulangan N
pada sistem konfigurasi multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N. Hasil pengukuran karakterisasi magneto-impedansi secara umum menunjukkan
bahwa nilai impedansi menurun dengan kenaikan medan pengimbas luar H dan impedansi
mencapai nilai jenuh pada medan H tertentu. Tipikal pengukuran magneto-impedansi pada
multilayer [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (300nm)]N di frekuensi 100 kHz diperoleh nilai impedansi Z
maksimum yaitu 22,8×10-2 Ω saat H = 0, kemudian berangsur-angsur menurun dengan kenaikan
medan magnet. Ketika medan magnet mencapai 20 mT, nilai Z mendekati nilai konstan pada
12,1×10-2 Ω. Tipikal rasio Magneto-impedansi (∆Z/Z (%) = {[Z(H) – Z(Hmax)]/Z(Hmax)}×100%) dalam
penelitian ini dimodifikasi dengan jumlah perulangan N dan ketebalan spacer Cu. Akhirnya nilai
rasio MI terbesar diperoleh 118.25 % untuk konfigurasi [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (200nm)]3 dihitung
pada frekuensi 100 kHz.
Kata Kunci: Magneto-impedansi, Ni80Fe20, spacer Cu, dan jumlah perulangan lapisan.
PENDAHULUAN
Efek
Magnetoimpedansi
(MI)
terkait dengan perubahan magnetisasi/
impedansi
konduktor
magnet
yang
dipengaruhi oleh medan magnet luar
(Ripka, 2001).
Secara umum, Fenomena MI ini
dapat diekspre-sikan melalui persamaan,
Z
Z
% Z ( H ) Z ( H max ) 100 %
(1)
Z ( H max )
merupakan impedansi
(│Z │=R +X ) yang terukur ketika diberikan
medan magnet luar H,
sedangkan
Z (H max ) merupakan impedansi yang terukur ketika nilai medan magnet yang
diberikan maksimum (Knobel, 2003).
Fenomena ini dapat diaplikasikan
pada beragam sensor magnetik. Hal ini
dikarenakan MI memiliki sensitifitas
tinggi yaitu hingga orde pico Tesla
(Uchiyama,
2012).
Mengingat
sensitifitasnya yang tinggi, saat ini MI
dengan
2
Z (H )
2
2
ISBN 978-602-7273-1-9
banyak dikembangkan dalam pembuatan
sensor biomedikal (Nakayama et al., 2011;
Panina 2011; Devkota et al., 2013; dan
Wang Tao et al., 2014 ).
Sensitifitas
sensor
ini
sangat
ditentukan oleh material magnetik yang
dipakai. Ragam material soft magnetik yang
digunakan diantaranya amorphous ribbon Co
(Kuzminski, 2008), amorphous wires
CoFeSiB (Raposo, 2003), CoP (Mai Thanh
Tung, 2014), CoFeTaBCr (Betancourt,
2007), permalloy thin films Ni80Fe20
(Zhiyong zhong, 2008; Lei Chen dkk, 2010)
dan sebagainya.
Banyak upaya telah dilakukan untuk
menyelidiki hubungan MI terhadap beberapa
variasi fisisnya dengan tujuan mencari
kontribusi untuk rasio MI bernilai besar.
Salah satunya, pada penelitian sebelumnya
telah di klarifikasi dengan beberapa
modifikasi, yaitu variasi frekuensi ac
pengukuran dan jumlah perulangan N
multilayer [Ni80 Fe20/Cu]N (Amiruddin et al,
2014). Pada penelitian tersebut menunjukkan
F-M-5
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
bahwa rasio MI semakin meningkat seiring
dengan kenaikan frekuensi dan perulangan
lapisan.
Penelitian
ini
mengkaji
ketergantungan rasio MI pada frekuensi ac
rendah akibat impedansi magnetik terhadap
modifikasi jumlah perulangan N multilayer
[Ni80Fe20/ Cu]N, serta variasi ketebalan
lapisan konduktif (spacer) Cu pada
[Ni80Fe20/ Cu]N.
METODE PENELITIAN
Lapisan
tipis
multilayer
[NiFe80Fe20/
Cu]N
dihasilkan
menggunakan metode elektro-deposisi
dengan memakai elektroda kawat Pt
(Platina).
Substrat yang digu-nakan
berupa kawat Cu berdiameter 0,46 mm.
Substrat
ini
sebelumnya
dicuci
menggunakan
ultrasonic
cleaner
mengikuti prosedur standar clean room.
Bahan - bahan yang digunakan
untuk membuat larutan elektrolit dalam
elektro-deposisi dapat dilihat pada Tabel
1. Larutan elektrolit tersebut diupayakan
hingga mencapai keadaan asam dengan
rentang pH antara 2,5 - 3 diberikan H2SO4
1 M beberapa tetes di setiap larutan
elektrolit.
Proses penumbuhan atau pelapisan
NiFe pada substrat menggunakan rapat
arus 15,5 mA/cm2 dengan laju deposisi 2
nm/s, dan pelapisan Cu menggunakan
rapat arus 8 mA/cm2 dengan laju deposisi
6 nm/s, seperti yang diilustrasikan oleh
Gambar 1.
Tabel 1. Elektrolit yang dipakai untuk
membuat
sampel
multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N.
Elektrolit
Pembentuk
NiFe
Pembentuk Cu
Bahan
NiSO4.6H2O
FeSO4.7H2O
H3BO4
C6H8O3
CuSO4.5H2O
C6H12O6
z R 2 X 2 , dengan resistansi sebagai
sumbangan dari komponen riil
reaktansi
sebagai
sumbangan
komponen imajiner.
V = 3,5 volt
V = 3,0 volt
-
+
A
J = 15,5 mA/cm2
Platina
-
+
A
dan
dari
J = 8 mA/cm2
Substrat
Platina
Substrat
4 cm
4 cm
Elektrolit
pembentuk
Ni80Fe20
Elektrolit
pembentuk
Cu
(a)
(b)
Gambar 1. Skema proses elektro-deposisi
(a) NiFe dan (b) Cu
Jumlah
0,099 M
0,012 M
0,149 M
0,002 M
0,065 M
0,002 M
Pada eksperimen ini,
proses
elektro-deposisi dilakukan berulang-ulang
untuk menghasilkan multilayer [Ni80Fe20
/Cu]N seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2. Sampel yang dibuat ini adalah
lapisan dengan variasi ketebalan lapisan
konduktif (spacer) Cu pada sistem
ISBN 978-602-7273-1-9
multilayer [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (y nm)]N
dengan y = 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350
nm, dan 400 nm. Sedangkan untuk variasi
jumlah perulangan N pada sistem
multilayer
[Ni80Fe20
(800nm)/
Cu
(300nm)]N dengan N berturut-turut 1, 3,
dan 5.
Proses
selanjutnya
adalah
karakteri-sasi magneto-impedansi (MI)
dengan skematik pengukuran magnetoimpedansi ditunjukan pada Gambar 3.
Pengambilan data MI dilakukan
dengan mengukur nilai resistansi (R) dan
reaktansi (X) dari sampel untuk setiap
perubahan H eksternal. Nilai impedansi
terukur tersebut adalah impedansi total
Gambar 2. Ilustrasi multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi pada
substrat kawat Cu
F-M-6
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
Magnetic wire
Solenoid
H dc
i ac
H ac
Power Supply
Teslameter
i dc
Gambar 3. Skema pengukuran magnetoimpedansi
HASIL DAN PEMBAHASAN
Ω
Pengaruh Jumlah Pelapisan N dari
Multilayer [Ni80Fe20 (800nm) / Cu
(300nm)]N
Gambar 4 (a) dan (b) menunjukkan
grafik impedansi Z sebagai fungsi medan
magnet pada frekuensi f = 20 kHz dan
100 kHz. Kedua grafik tersebut memiliki
tipikal kurva yang sama serta teramati
karakterisasi perubahan kurva impedansi
ketika diberikan medan magnet luar H.
Selain itu gambar tersebut menunjukkan
bahwa variasi N dari multilayer [Ni80Fe20
(800 nm)/Cu (300 nm)]N memiliki tipikal
grafik yang sama, namun dengan nilai
puncak Z yang berbeda.
frekuensi 100 kHz
frekuensi 20 kHz
N=1 lapis
N=3 lapis
N=5 lapis
(a)
0.22
N=1 lapis
N=3 lapis
N=5 lapis
(b)
0.2
0.01
Ω
0.008
Z (Ω)
Z (Ω)
Ω
0.18
0.009
0.16
0.14
0.007
100
(c)
ΔZ/Z (Hmax) ( % )
0.011
Tipikal kasus N = 5, saat H = 0
mula-mula impedansi terukur sebesar Z =
22,8× 10-2 Ω. Nilai Z ini berangsunrangsur turun dengan kenaikan medan
eksternal H hingga mencapai hampir
jenuh pada nilai Z = 12,8× 10-2 Ω setelah
H 20 mT. Tipikal kurva semacam ini
teramati juga untuk jumlah N dan
frekuensi lainnya.
Dari data nilai impedansi yang
diperoleh, kita dapat menentukan rasio
Magneto-impedansi dengan menggunakan
persamaan (1). Hubungan nilai rasio MI
dengan N multilayer [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu
(300 nm)]N dapat diamati pada Gambar 4
(c). Pada Grafik tersebut, nilai rasio MI
semakin meningkat seiring dengan
kenaikan jumlah lapisan N di frekuensi 20
dan 100 kHz.
Kenaikan
jumlah
perulangan
lapisan
tipis
akan
meningkatkan
komponen riil dan imajiner impedansi
sampel.
Ketika jumlah perulangan
lapisan N dimodifikasi, nilai reaktansi
yaitu bagian imajiner impedansi total
sampel mengalami perubahan lebih
drastik dibandingkan komponen riil.
Akibatnya, nilai terukur nisbah MI untuk
sampel dengan N = 5 terbesar
dibandingkan sampel lainnya.
Hasil ini telah sesuai dengan yang
dilakukan oleh Devkota et al., (2013); dan
Amiruddin et al., (2014), dimana dalam
penelitiannya,
konduktor
magnetik
dengan jumlah lapisan lebih banyak
memiliki rasio MI yang lebih besar
daripada konduktor magnetik yang hanya
terdiri dari satu lapis.
Ω
LCR meter
0.12
80
60
40
f=20 kHz
f=100 kHz
20
-40
-20
0
20
H (mT)
40 40
0.1
-40
-20
0
H (mT)
20
40
1
2
3
4
5
Jumlah Lapisan (N)
Gambar 4. (a), (b) Tipikal kurva impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk variasi N,
dan (c) Hubungan nisbah MI dengan N untuk substrat kawat Cu [Ni80Fe20 (800nm)/Cu
(300nm)]N
ISBN 978-602-7273-1-9
F-M-7
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
0.012
frekuensi 20 kHz
frekuensi 100 kHz
(a) )
y = 200 nm
y = 250 nm
y = 300 nm
y = 350 nm
y = 400 nm
0.27
0.24
0.0105
(b)
y = 200 nm
y = 250 nm
y = 300 nm
y = 350 nm
y = 400 nm
100
Ω
Z (Ω)
Z (Ω)
Ω
0.21
0.009
0.18
0.15
0.0075
(c)
120
ΔZ/Z (Hmax) (Ohm)
0.0135
80
60
40
f = 20 kHz
f = 100 kHz
0.12
0.006
-40
-20
0
20
H (mT)
40 40
20
-40
-20
0
H (mT)
20
40
200
250
300
350
400
Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)
Gambar 5. (a), (b) Tipikal kurva impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk variasi N,
dan (c) Hubungan nisbah MI dengan N untuk substrat kawat Cu [Ni80Fe20 (800nm)/Cu
(300nm)]N
Pengaruh Ketebalan Spacer Cu Terhadap
MI pada Multilayer [Ni80Fe20(800 nm)/Cu
( y nm)]3
Δ
Δ
Gambar 5 (a) dan (b) menunjukkan
kurva karakteristik magneto-impedansi
lapisan multilayer [Ni80Fe20(800nm)/Cu( y
nm)]3 terhadap aplikasi medan magnet H
dengan variasi tebal lapisan Cu berturutturut 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm,
dan 400 nm pada frekuensi 20 kHz
maupun 100 kHz.
Hal serupa terjadi di Gambar 5 (a),
(b) yang menunjukkan tipikal kurva
serupa dengan frekuensi 20 kHz dan 100
kHz pada gambar 4 (a), (b).
Gambar 5 (c) resume rasio MI dari
menggunakan persamaan (1) dengan
impedansi diperoleh dari kurva a dan b.
Hasil memperlihatkan/ menunjukkan
bahwa kenaikan tebal lapisan Cu pada
[Ni80Fe20(800 nm)/Cu(y nm)]3 maka rasio
MI yang dihasilkan cenderung semakin
kecil secara linear. Namun ketika
ketebalan spacer Cu diperbesar lagi, yaitu
y = 400, nilai impedansi dan nilai rasio MI
justru meningkat.
Penjelasan mengenai efek ini dapat
dijelaskan dengan teori MI yang terjadi
pada sistem multilayer yang terealisasi
pada konduktor kawat silinder. Efek MI
pada sistem ini terjadi karena adanya
perbedaan resistansi antara lapisan
magnetik dan non-magnetik. Ketika nilai
ketebalan
dari
lapisan
magnetik
meningkat maka resistansi dari lapisan
magnetik akan mengalami penurunan.
ISBN 978-602-7273-1-9
Ketika ketebalan lapisan magnetik
ini terus diperbesar maka resistansi dari
lapisan magnetik ini akan mendekati nilai
resistansi dari lapisan non-magnetik.
Namun, terjadi anomali saat di ketebalan
spacer Cu y = 400 nm. Impedansi atau
rasio MI di saat ketebalan tersebut justru
menigkat.
KESIMPULAN
Multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N hasil
elektro-deposisi substrat kawat Cu telah
dimodifikasi
pada
variasi
jumlah
perulangan lapisan (N = 1, 3, dan 5) dan
ketebalan spacer Cu (y = 200 nm, 250 nm,
300 nm, 350 nm, dan 400nm). Hasil
karakterisasi fenomena impedansi variasi
jumlah perulangan diperoleh bahwa
kenaikan jumlah perulangan lapisan N
pada konfigurasi multilayer
maka
semakin besar impedansi serta semakin
besar juga rasio MI yang dihasilkan.
Sedangkan pada variasi ketebalan
spacer Cu, hasil menunjukkan bahwa
kenaikan tebal lapisan spacer Cu akan
menghasilkan impedansi dan rasio MI
yang semakin kecil. Namun, saat di
ketebalan tertentu ( y = 400 nm), nilai
impedansi dan rasio MI justru menjadi
naik.
DAFTAR RUJUKAN
Amiruddin, M., Utari, and Budi, P. 2014.
Fenomena Magneto-impedansi untuk
Frekuensi Rendah pada Multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N
Hasil
Elektrodeposisi.
Jurnal
Fisika
dan
Aplikasinya, Vol. 10, No. 2, pp. 95 98.
F-M-8
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
Atalay, F.E., and Atalay, S. 2005. Giant
magnetoimpedance effect in NiFe/Cu
plated wire with various plating
thicknesses.
Journal
Alloys
&
Compound, Vol. 392, pp. 322-328.
Betancourt, I., Vazquez, F., 2007.
Magnetic
Properties
and
Low
Frequency Magnetoimpedance of Novel
Amorphous
CoFeTaBCr
Ribbons.
Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.
353, pp. 893-895.
Chen, L., Zhou, Y., Lei, C., Zhou, Z.M.,
Ding,
W.,
2010.
Giant
Magnetoimpedance Effect in Sputtered
Single Layered NiFe Film and Meander
NiFe/Cu/NiFe
Film.
Journal
of
Magnetism and Magnetic Materials,
Vol. 322, pp. 2834-2839.
Devkota, J., Wang, C., Ruiz, A.,
Mohapatra, S., Mukherjee, P., Srikanth,
H., and Phan, M.H. 2013. Detection of
low-concentration
superparamagnetic
nanoparticles using an integrated radio
frequency magnetic bio sensor. Journal
of Applied Physics, Vol. 49, No.7, pp.
4060-4063.
Knobel, M., Vazquez, M., and Kraus, L.,
2003. Giant magnetoimpedance. In:
Buschow KH, editor. Handbook of
magnetic materials. Elsevier Science
B.V., Vol. 15, pp.1-69.
Nakayama, S., Atsuta, S., Shinmi, T., and
Uchiyama, T., 2011. Pulse-driven
Magnetoimpedance Sensor Detection of
Biomagnetic Fields in Musculatures
with Spontaneous Electric Activity,
ISBN 978-602-7273-1-9
Biosensors and Bioelectronics, Vol. 27,
pp. 34 – 39.
Panina, L. V., 2011. Electromagnetic
sensor
technology
for
boimedical
applications, Recent Aplication in
Biometrics. Plymouth: InTech.
Raposo, V., Flores, A.G., Zazo, M., Iniguez,
J.I., 2003. Magnetic After Effect of Giant
Magnetoimpedance
in
Amorphous
Wires. Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, Vol. 254, pp. 204206.
Ripka, P., 2001. Magnetic sensors and
magnetometers. London: Artech House
Publishers.
Tung, M.T., Hang, L.T., Tuan, L.A., Nghi,
N.H.,
2014.
Influence
of
Electrodeposition Parameters on The
Magnetic
and
Magneto-impedance
Properties of CoP/Cu Wires. Physica,
Vol 442, pp. 16-20.
Uchiyama, T., Mohri, K., Honkura, Y., and
Panina, L.V., 2012. Advances of PicoTesla 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
Detection of Biomarker. Biosensors and
Bioelectronics, Vol. 58, pp. 338 – 344.
F-M-9
Ketergantungan Mangneto-Impedansi Multilayer [Nife/Cu] dengan
Jumlah Perulangan Lapisan Magnetik dan Ketebalan Spacer Cu
B. ANGGIT WICAKSONO*), ISMAIL, AHMAD ASRORI NAHRUN, NURYANI, BUDI
PURNAMA**)
Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret.
Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Surakarta
*
E-MAIL : WICAKGITYA@GMAIL.COM, **BPURNAMA@MIPA.UNS.AC.ID
*)PENULIS
KORESPONDEN
TEL: +62-271-669017; FAX: +62-271-669017
ABSTRAK: Magneto-impedansi; yaitu perubahan nilai impedansi akibat medan pengimbas luar
terpasang Z (H) pada multilayer [Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi secara eksperimental
bergantung dengan strukturnya. Variabel tersebut diantaranya variabel ketebalan lapisan
konduktif (spacer) Cu dan jumlah perulangan N
pada sistem konfigurasi multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N. Hasil pengukuran karakterisasi magneto-impedansi secara umum menunjukkan
bahwa nilai impedansi menurun dengan kenaikan medan pengimbas luar H dan impedansi
mencapai nilai jenuh pada medan H tertentu. Tipikal pengukuran magneto-impedansi pada
multilayer [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (300nm)]N di frekuensi 100 kHz diperoleh nilai impedansi Z
maksimum yaitu 22,8×10-2 Ω saat H = 0, kemudian berangsur-angsur menurun dengan kenaikan
medan magnet. Ketika medan magnet mencapai 20 mT, nilai Z mendekati nilai konstan pada
12,1×10-2 Ω. Tipikal rasio Magneto-impedansi (∆Z/Z (%) = {[Z(H) – Z(Hmax)]/Z(Hmax)}×100%) dalam
penelitian ini dimodifikasi dengan jumlah perulangan N dan ketebalan spacer Cu. Akhirnya nilai
rasio MI terbesar diperoleh 118.25 % untuk konfigurasi [Ni80Fe20 (800nm)/Cu (200nm)]3 dihitung
pada frekuensi 100 kHz.
Kata Kunci: Magneto-impedansi, Ni80Fe20, spacer Cu, dan jumlah perulangan lapisan.
PENDAHULUAN
Efek
Magnetoimpedansi
(MI)
terkait dengan perubahan magnetisasi/
impedansi
konduktor
magnet
yang
dipengaruhi oleh medan magnet luar
(Ripka, 2001).
Secara umum, Fenomena MI ini
dapat diekspre-sikan melalui persamaan,
Z
Z
% Z ( H ) Z ( H max ) 100 %
(1)
Z ( H max )
merupakan impedansi
(│Z │=R +X ) yang terukur ketika diberikan
medan magnet luar H,
sedangkan
Z (H max ) merupakan impedansi yang terukur ketika nilai medan magnet yang
diberikan maksimum (Knobel, 2003).
Fenomena ini dapat diaplikasikan
pada beragam sensor magnetik. Hal ini
dikarenakan MI memiliki sensitifitas
tinggi yaitu hingga orde pico Tesla
(Uchiyama,
2012).
Mengingat
sensitifitasnya yang tinggi, saat ini MI
dengan
2
Z (H )
2
2
ISBN 978-602-7273-1-9
banyak dikembangkan dalam pembuatan
sensor biomedikal (Nakayama et al., 2011;
Panina 2011; Devkota et al., 2013; dan
Wang Tao et al., 2014 ).
Sensitifitas
sensor
ini
sangat
ditentukan oleh material magnetik yang
dipakai. Ragam material soft magnetik yang
digunakan diantaranya amorphous ribbon Co
(Kuzminski, 2008), amorphous wires
CoFeSiB (Raposo, 2003), CoP (Mai Thanh
Tung, 2014), CoFeTaBCr (Betancourt,
2007), permalloy thin films Ni80Fe20
(Zhiyong zhong, 2008; Lei Chen dkk, 2010)
dan sebagainya.
Banyak upaya telah dilakukan untuk
menyelidiki hubungan MI terhadap beberapa
variasi fisisnya dengan tujuan mencari
kontribusi untuk rasio MI bernilai besar.
Salah satunya, pada penelitian sebelumnya
telah di klarifikasi dengan beberapa
modifikasi, yaitu variasi frekuensi ac
pengukuran dan jumlah perulangan N
multilayer [Ni80 Fe20/Cu]N (Amiruddin et al,
2014). Pada penelitian tersebut menunjukkan
F-M-5
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
bahwa rasio MI semakin meningkat seiring
dengan kenaikan frekuensi dan perulangan
lapisan.
Penelitian
ini
mengkaji
ketergantungan rasio MI pada frekuensi ac
rendah akibat impedansi magnetik terhadap
modifikasi jumlah perulangan N multilayer
[Ni80Fe20/ Cu]N, serta variasi ketebalan
lapisan konduktif (spacer) Cu pada
[Ni80Fe20/ Cu]N.
METODE PENELITIAN
Lapisan
tipis
multilayer
[NiFe80Fe20/
Cu]N
dihasilkan
menggunakan metode elektro-deposisi
dengan memakai elektroda kawat Pt
(Platina).
Substrat yang digu-nakan
berupa kawat Cu berdiameter 0,46 mm.
Substrat
ini
sebelumnya
dicuci
menggunakan
ultrasonic
cleaner
mengikuti prosedur standar clean room.
Bahan - bahan yang digunakan
untuk membuat larutan elektrolit dalam
elektro-deposisi dapat dilihat pada Tabel
1. Larutan elektrolit tersebut diupayakan
hingga mencapai keadaan asam dengan
rentang pH antara 2,5 - 3 diberikan H2SO4
1 M beberapa tetes di setiap larutan
elektrolit.
Proses penumbuhan atau pelapisan
NiFe pada substrat menggunakan rapat
arus 15,5 mA/cm2 dengan laju deposisi 2
nm/s, dan pelapisan Cu menggunakan
rapat arus 8 mA/cm2 dengan laju deposisi
6 nm/s, seperti yang diilustrasikan oleh
Gambar 1.
Tabel 1. Elektrolit yang dipakai untuk
membuat
sampel
multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N.
Elektrolit
Pembentuk
NiFe
Pembentuk Cu
Bahan
NiSO4.6H2O
FeSO4.7H2O
H3BO4
C6H8O3
CuSO4.5H2O
C6H12O6
z R 2 X 2 , dengan resistansi sebagai
sumbangan dari komponen riil
reaktansi
sebagai
sumbangan
komponen imajiner.
V = 3,5 volt
V = 3,0 volt
-
+
A
J = 15,5 mA/cm2
Platina
-
+
A
dan
dari
J = 8 mA/cm2
Substrat
Platina
Substrat
4 cm
4 cm
Elektrolit
pembentuk
Ni80Fe20
Elektrolit
pembentuk
Cu
(a)
(b)
Gambar 1. Skema proses elektro-deposisi
(a) NiFe dan (b) Cu
Jumlah
0,099 M
0,012 M
0,149 M
0,002 M
0,065 M
0,002 M
Pada eksperimen ini,
proses
elektro-deposisi dilakukan berulang-ulang
untuk menghasilkan multilayer [Ni80Fe20
/Cu]N seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2. Sampel yang dibuat ini adalah
lapisan dengan variasi ketebalan lapisan
konduktif (spacer) Cu pada sistem
ISBN 978-602-7273-1-9
multilayer [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu (y nm)]N
dengan y = 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350
nm, dan 400 nm. Sedangkan untuk variasi
jumlah perulangan N pada sistem
multilayer
[Ni80Fe20
(800nm)/
Cu
(300nm)]N dengan N berturut-turut 1, 3,
dan 5.
Proses
selanjutnya
adalah
karakteri-sasi magneto-impedansi (MI)
dengan skematik pengukuran magnetoimpedansi ditunjukan pada Gambar 3.
Pengambilan data MI dilakukan
dengan mengukur nilai resistansi (R) dan
reaktansi (X) dari sampel untuk setiap
perubahan H eksternal. Nilai impedansi
terukur tersebut adalah impedansi total
Gambar 2. Ilustrasi multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi pada
substrat kawat Cu
F-M-6
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
Magnetic wire
Solenoid
H dc
i ac
H ac
Power Supply
Teslameter
i dc
Gambar 3. Skema pengukuran magnetoimpedansi
HASIL DAN PEMBAHASAN
Ω
Pengaruh Jumlah Pelapisan N dari
Multilayer [Ni80Fe20 (800nm) / Cu
(300nm)]N
Gambar 4 (a) dan (b) menunjukkan
grafik impedansi Z sebagai fungsi medan
magnet pada frekuensi f = 20 kHz dan
100 kHz. Kedua grafik tersebut memiliki
tipikal kurva yang sama serta teramati
karakterisasi perubahan kurva impedansi
ketika diberikan medan magnet luar H.
Selain itu gambar tersebut menunjukkan
bahwa variasi N dari multilayer [Ni80Fe20
(800 nm)/Cu (300 nm)]N memiliki tipikal
grafik yang sama, namun dengan nilai
puncak Z yang berbeda.
frekuensi 100 kHz
frekuensi 20 kHz
N=1 lapis
N=3 lapis
N=5 lapis
(a)
0.22
N=1 lapis
N=3 lapis
N=5 lapis
(b)
0.2
0.01
Ω
0.008
Z (Ω)
Z (Ω)
Ω
0.18
0.009
0.16
0.14
0.007
100
(c)
ΔZ/Z (Hmax) ( % )
0.011
Tipikal kasus N = 5, saat H = 0
mula-mula impedansi terukur sebesar Z =
22,8× 10-2 Ω. Nilai Z ini berangsunrangsur turun dengan kenaikan medan
eksternal H hingga mencapai hampir
jenuh pada nilai Z = 12,8× 10-2 Ω setelah
H 20 mT. Tipikal kurva semacam ini
teramati juga untuk jumlah N dan
frekuensi lainnya.
Dari data nilai impedansi yang
diperoleh, kita dapat menentukan rasio
Magneto-impedansi dengan menggunakan
persamaan (1). Hubungan nilai rasio MI
dengan N multilayer [Ni80Fe20 (800 nm)/Cu
(300 nm)]N dapat diamati pada Gambar 4
(c). Pada Grafik tersebut, nilai rasio MI
semakin meningkat seiring dengan
kenaikan jumlah lapisan N di frekuensi 20
dan 100 kHz.
Kenaikan
jumlah
perulangan
lapisan
tipis
akan
meningkatkan
komponen riil dan imajiner impedansi
sampel.
Ketika jumlah perulangan
lapisan N dimodifikasi, nilai reaktansi
yaitu bagian imajiner impedansi total
sampel mengalami perubahan lebih
drastik dibandingkan komponen riil.
Akibatnya, nilai terukur nisbah MI untuk
sampel dengan N = 5 terbesar
dibandingkan sampel lainnya.
Hasil ini telah sesuai dengan yang
dilakukan oleh Devkota et al., (2013); dan
Amiruddin et al., (2014), dimana dalam
penelitiannya,
konduktor
magnetik
dengan jumlah lapisan lebih banyak
memiliki rasio MI yang lebih besar
daripada konduktor magnetik yang hanya
terdiri dari satu lapis.
Ω
LCR meter
0.12
80
60
40
f=20 kHz
f=100 kHz
20
-40
-20
0
20
H (mT)
40 40
0.1
-40
-20
0
H (mT)
20
40
1
2
3
4
5
Jumlah Lapisan (N)
Gambar 4. (a), (b) Tipikal kurva impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk variasi N,
dan (c) Hubungan nisbah MI dengan N untuk substrat kawat Cu [Ni80Fe20 (800nm)/Cu
(300nm)]N
ISBN 978-602-7273-1-9
F-M-7
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
0.012
frekuensi 20 kHz
frekuensi 100 kHz
(a) )
y = 200 nm
y = 250 nm
y = 300 nm
y = 350 nm
y = 400 nm
0.27
0.24
0.0105
(b)
y = 200 nm
y = 250 nm
y = 300 nm
y = 350 nm
y = 400 nm
100
Ω
Z (Ω)
Z (Ω)
Ω
0.21
0.009
0.18
0.15
0.0075
(c)
120
ΔZ/Z (Hmax) (Ohm)
0.0135
80
60
40
f = 20 kHz
f = 100 kHz
0.12
0.006
-40
-20
0
20
H (mT)
40 40
20
-40
-20
0
H (mT)
20
40
200
250
300
350
400
Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)
Gambar 5. (a), (b) Tipikal kurva impedansi sebagai fungsi medan magnet untuk variasi N,
dan (c) Hubungan nisbah MI dengan N untuk substrat kawat Cu [Ni80Fe20 (800nm)/Cu
(300nm)]N
Pengaruh Ketebalan Spacer Cu Terhadap
MI pada Multilayer [Ni80Fe20(800 nm)/Cu
( y nm)]3
Δ
Δ
Gambar 5 (a) dan (b) menunjukkan
kurva karakteristik magneto-impedansi
lapisan multilayer [Ni80Fe20(800nm)/Cu( y
nm)]3 terhadap aplikasi medan magnet H
dengan variasi tebal lapisan Cu berturutturut 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm,
dan 400 nm pada frekuensi 20 kHz
maupun 100 kHz.
Hal serupa terjadi di Gambar 5 (a),
(b) yang menunjukkan tipikal kurva
serupa dengan frekuensi 20 kHz dan 100
kHz pada gambar 4 (a), (b).
Gambar 5 (c) resume rasio MI dari
menggunakan persamaan (1) dengan
impedansi diperoleh dari kurva a dan b.
Hasil memperlihatkan/ menunjukkan
bahwa kenaikan tebal lapisan Cu pada
[Ni80Fe20(800 nm)/Cu(y nm)]3 maka rasio
MI yang dihasilkan cenderung semakin
kecil secara linear. Namun ketika
ketebalan spacer Cu diperbesar lagi, yaitu
y = 400, nilai impedansi dan nilai rasio MI
justru meningkat.
Penjelasan mengenai efek ini dapat
dijelaskan dengan teori MI yang terjadi
pada sistem multilayer yang terealisasi
pada konduktor kawat silinder. Efek MI
pada sistem ini terjadi karena adanya
perbedaan resistansi antara lapisan
magnetik dan non-magnetik. Ketika nilai
ketebalan
dari
lapisan
magnetik
meningkat maka resistansi dari lapisan
magnetik akan mengalami penurunan.
ISBN 978-602-7273-1-9
Ketika ketebalan lapisan magnetik
ini terus diperbesar maka resistansi dari
lapisan magnetik ini akan mendekati nilai
resistansi dari lapisan non-magnetik.
Namun, terjadi anomali saat di ketebalan
spacer Cu y = 400 nm. Impedansi atau
rasio MI di saat ketebalan tersebut justru
menigkat.
KESIMPULAN
Multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N hasil
elektro-deposisi substrat kawat Cu telah
dimodifikasi
pada
variasi
jumlah
perulangan lapisan (N = 1, 3, dan 5) dan
ketebalan spacer Cu (y = 200 nm, 250 nm,
300 nm, 350 nm, dan 400nm). Hasil
karakterisasi fenomena impedansi variasi
jumlah perulangan diperoleh bahwa
kenaikan jumlah perulangan lapisan N
pada konfigurasi multilayer
maka
semakin besar impedansi serta semakin
besar juga rasio MI yang dihasilkan.
Sedangkan pada variasi ketebalan
spacer Cu, hasil menunjukkan bahwa
kenaikan tebal lapisan spacer Cu akan
menghasilkan impedansi dan rasio MI
yang semakin kecil. Namun, saat di
ketebalan tertentu ( y = 400 nm), nilai
impedansi dan rasio MI justru menjadi
naik.
DAFTAR RUJUKAN
Amiruddin, M., Utari, and Budi, P. 2014.
Fenomena Magneto-impedansi untuk
Frekuensi Rendah pada Multilayer
[Ni80Fe20/Cu]N
Hasil
Elektrodeposisi.
Jurnal
Fisika
dan
Aplikasinya, Vol. 10, No. 2, pp. 95 98.
F-M-8
SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015
Atalay, F.E., and Atalay, S. 2005. Giant
magnetoimpedance effect in NiFe/Cu
plated wire with various plating
thicknesses.
Journal
Alloys
&
Compound, Vol. 392, pp. 322-328.
Betancourt, I., Vazquez, F., 2007.
Magnetic
Properties
and
Low
Frequency Magnetoimpedance of Novel
Amorphous
CoFeTaBCr
Ribbons.
Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.
353, pp. 893-895.
Chen, L., Zhou, Y., Lei, C., Zhou, Z.M.,
Ding,
W.,
2010.
Giant
Magnetoimpedance Effect in Sputtered
Single Layered NiFe Film and Meander
NiFe/Cu/NiFe
Film.
Journal
of
Magnetism and Magnetic Materials,
Vol. 322, pp. 2834-2839.
Devkota, J., Wang, C., Ruiz, A.,
Mohapatra, S., Mukherjee, P., Srikanth,
H., and Phan, M.H. 2013. Detection of
low-concentration
superparamagnetic
nanoparticles using an integrated radio
frequency magnetic bio sensor. Journal
of Applied Physics, Vol. 49, No.7, pp.
4060-4063.
Knobel, M., Vazquez, M., and Kraus, L.,
2003. Giant magnetoimpedance. In:
Buschow KH, editor. Handbook of
magnetic materials. Elsevier Science
B.V., Vol. 15, pp.1-69.
Nakayama, S., Atsuta, S., Shinmi, T., and
Uchiyama, T., 2011. Pulse-driven
Magnetoimpedance Sensor Detection of
Biomagnetic Fields in Musculatures
with Spontaneous Electric Activity,
ISBN 978-602-7273-1-9
Biosensors and Bioelectronics, Vol. 27,
pp. 34 – 39.
Panina, L. V., 2011. Electromagnetic
sensor
technology
for
boimedical
applications, Recent Aplication in
Biometrics. Plymouth: InTech.
Raposo, V., Flores, A.G., Zazo, M., Iniguez,
J.I., 2003. Magnetic After Effect of Giant
Magnetoimpedance
in
Amorphous
Wires. Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, Vol. 254, pp. 204206.
Ripka, P., 2001. Magnetic sensors and
magnetometers. London: Artech House
Publishers.
Tung, M.T., Hang, L.T., Tuan, L.A., Nghi,
N.H.,
2014.
Influence
of
Electrodeposition Parameters on The
Magnetic
and
Magneto-impedance
Properties of CoP/Cu Wires. Physica,
Vol 442, pp. 16-20.
Uchiyama, T., Mohri, K., Honkura, Y., and
Panina, L.V., 2012. Advances of PicoTesla 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
Detection of Biomarker. Biosensors and
Bioelectronics, Vol. 58, pp. 338 – 344.
F-M-9