Potensi multilapisan tipe superkekisi NiFe/Ag?niFe dan Ag/NiFe/Ag/NiFe sebagai bahan sensor medan magnet lemah berbasis Gejala Magnetoresistansi Raksasa (GMR)

TOIFUR, Moh, Promotor Prof.Dr.Ir. Prayoto, M.Sc

2006 | Disertasi | S3 MIPA (Fisika)

Telah dibuat multilapisan NiFe(1)/Ag[0,2-0,87 μm]/NiFe(2) dan multilapisan Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2)[0,13–0,24 μm]/NiFe(2) dengan mesin sputtering dc yang dilengkapi dengan pengatur suhu substrat dari 0 s/d 400°C dan medan deposisi dari 0 s/d 600 gauss. Penelitian bertujuan untuk menentukan pengaruh tebal lapisan Ag (bAg) dan tebal lapsian Ag(2) (bAg(2)) pada efek GMR (Giant Magnetoresistance) multilapisan akibat adanya kopling antiferromagnetik antara spin-spin pada kedua lapisan NiFe serta akibat pemakaian lapisan penyangga Ag(1). Penelitian dimulai dari pembuatan lapisan Ag untuk memperoleh daya dan waktu deposisi optimum yang menghasilkan lapisan Ag(111) dengan tingkat keteraturan struktur kristal terbaik, kemudian pembuatan lapisan NiFe pada variasi medan deposisi dari 0 s/d 600 gauss dan variasi suhu substrat dari 50 s/d 250°C untuk memperoleh nisbah MR (magnetoresistansi) terbesar. Setelah diketahui parameter deposisi Ag dan NiFe kemudian dilakukan pemasangan lapisan NiFe pada lapisan Ag sehingga diperoleh lapisan Ag/NiFe. Dengan memvariasi tebal lapisan NiFe (bNiFe) dari 0,62 s.d. 1,33 μm maka dicari bNiFe yang menghasilkan nisbah MR terbesar. Setelah itu dibuat multilapisan berstruktur NiFe(1)/Ag[0,2 s.d. 0,87 μm]/ NiFe(2) dan Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2)[0,13 – 0,24 μm]/NiFe(2) untuk memperoleh efek GMR terbesar. Selain itu untuk efektifitas kerja serta memperoleh hasil pengukuran resistansi yang lebih akurat maka dibuat alat probe empat titik (FPP) terkomputerisasi dengan memanfaatkan prosesor konversi PCL-812 PG dengan ketelitian 1,22 mV/step. Beberapa karakterisasi yang dilakukan meliputi morfologi tampang lintang sampel dengan SEM, analisis sistem fasa dengan XRD (X-Ray Diffraction), sifat magnetik lapisan dengan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) dan efek GMR dengan probe 4 titik terkomputerisasi dalam lingkungan medan magnet luar dari –20 s/d 20 gauss. Dari hasil yang diperoleh menunjukan bahwa untuk lapisan Ag, daya kerja 20 watt dan waktu deposisi 2 menit merupakan parameter penghasil tingkat struktur kristal Ag(111) terbaik, sedangkan untuk lapisan NiFe, medan deposisi 150 gauss dan suhu substrat 200°C merupakan parameter penghasil struktur kristal serta sifat magnetik yang dipilih. Nisbah MR untuk lapisan NiFe(B) sebesar (2,01±0,04)% sedangkan untuk NiFe(Ts) sebesar (2,81±0,11)%. Pada multilapisan NiFe(1)/Ag[0,27μm]/NiFe(2) diperoleh nisbah GMR sebesar (54,87±0,05)%. Nilai tersebut diukur pada suhu ruang sehingga lebih baik dari yang diperoleh Xiao sebesar 55% karena diukur pada suhu 4,2K. Untuk multilapisan Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2)[0,13μm]/ NiFe(2), diperoleh nisbah GMR sebesar (67,74±0,14)%. Nilai ini setingkat dengan prediksi Pool yang menyatakan bahwa nisbah GMR untuk 3 lapisan sekitar 66,67%. Pemakaian lapisan penyangga Ag(1) fcc[111] pada multilapisan Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2)/NiFe(2) terbukti semakin memperkokoh pertumbuhan atom-atom NiFe ke arah (111). Pada multilapisan NiFe/Ag/NiFe, nisbah GMR meningkat sekitar 27,3 kali dari efek MR lapisan tunggal NiFe(B) sedangkan pada multilapisan jenis Ag/NiFe/Ag/NiFe, nisbah GMR meningkat sekitar 33,7 kali dari MR NiFe(B). Lapisan ini ditandai dengan tingkat keteraturan struktur kristal yang tinggi, ukuran butir yang besar, remanen besar serta medan koersif paling kecil. Lapisan ini layak untuk merespon osilasi arus listrik hingga 100 kHz tanpa menimbulkan disipasi panas pada lapisan. Dengan hasil tersebut maka multilapisan NiFe/Ag/NiFe dan Ag/NiFe/Ag/NiFe sangat layak digunakan sebagai bahan sensor medan magnet lemah berbasis efek GMR.

The multilayer thin films of NiFe(1)/Ag[0.2-0.87 μm]/NiFe(2) and Ag(1)/NiFe(1)/ Ag(2)[0.13–0.24 μm]/NiFe(2) had been fabricated with dc sputtering machine completed with substrate temperature regulator from 0 up to 400°C and magnetic annealing from 0 up to 600 gauss. The objective of this research was to obtain the effect of bAg and bAg(2) (thickness of Ag and Ag(2) films) to the GMR (Giant Magnetoresistance) of multilayer due to the existence of antiferromagnetic coupling between magnetic spins in the two NiFe layers and due to applying buffer layer Ag(1). Research was started from fabrication of Ag film for getting the optimum conditions of power and deposition time resulting Ag(111) film with the highest ordering of crystalline structure, the fabrication of NiFe film at the various of deposition field from 0 up to 600 gauss and substrate temperature from 50 up to 250°C for getting the highest of MR (magnetoresistance) ratio. Furthermore, with knowing deposition parameters of Ag and NiFe, Ag film is coupled with NiFe film to product Ag/NiFe film, and then, Ag thickness is varied from 0.62 up to 1.33 μm for getting the highest MR. Then, the NiFe(1)/Ag[0.2–0.87 μm]/NiFe(2) and Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2)[0.13–0.24 μm]/NiFe(2) multilayers are fabricated for getting the highest of GMR effect. In addition, for measurements of resistance more effectively and getting it more accurately, it was made a computerized FPP (Four Point Probe) equipment using PCL-812 PG as a converter processor which has accuracy of 1.22 mV/step. Several characterizations which was done included cross section morphology with SEM, microstructure analysis with XRD, the magnetic properties of material with VSM and GMR effect with computerized Four Point Probe in the external magnetic filed environment from -20 up to 20 gauss. From the results show that for produced Ag film, the power of 20 watt and time deposition of 2 minutes are the optimum parameters to produce the highest ordering of Ag(111) crystalline structure, meanwhile for NiFe film, the deposition field of 150 gauss and substrate temperature of 200°C are the optimum parameters to produce the highest ordering of crystalline structure and magnetic properties. MR ratio for NiFe(B) film was (2.01±0.04)% mean while for NiFe(Ts) was (2.81±0.11)%. In the NiFe(1)/Ag[0.27μm]/ NiFe(2) multilayers GMR ratio achieved was (54.87±0.05)% which measured in room temperature. This is higher than that resulted by Xiao i.e. 55% measured in the 4,2K. The GMR ratio for Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2) )[0.13 μm]/NiFe(2) is (67.74±0.14)%. This is in the order of Pool prediction expressing the GMR ratio of three layers was about 66.7 %. Applying Ag (1) fcc [111] as buffer layer on the Ag(1)/NiFe(1)/Ag(2)/NiFe(2) multilayers show the more strengthening the NiFe film growing in the direction of (111). In the the NiFe/Ag/NiFe layer, the GMR was increased around 27.3 times from MR effect of NiFe(B) monolayer while in the Ag/NiFe/Ag/NiFe was around 33.7 times. These multilayer was signed with high ordering of crystalline structure, large of grain size, the large remanence and the the low coercivity compared with other sample. This multilayer has ability to repon the AC current up to 100 kHz frequencies without creating thermal dissipation on the film. With these results, NiFe/Ag/NiFe and Ag/NiFe/Ag/NiFe multilayers are quite reliable for soft magnetic sensor material based on GMR effect.

Kata Kunci : Fisika Magnetoresistensi Raksasa,Nisbah,Ketebalan,