SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-5

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,

%100)max(

)max()(%

HZ

HZHZ

Z

Z (1)

dengan )(HZ merupakan impedansi

(│Z2│=R2+X2) yang terukur ketika diberikan

medan magnet luar H, sedangkan

)max(HZ merupakan impedansi yang ter-

ukur 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

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 [Ni80Fe20/Cu]N (Amiruddin et al, 2014). Pada penelitian tersebut menunjukkan

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-6

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 Bahan Jumlah

Pembentuk

NiFe

NiSO4.6H2O 0,099 M

FeSO4.7H2O 0,012 M

H3BO4 0,149 M

C6H8O3 0,002 M

Pembentuk Cu CuSO4.5H2O 0,065 M

C6H12O6 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

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 magneto-

impedansi 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

22 XRz , dengan resistansi sebagai

sumbangan dari komponen riil dan

reaktansi sebagai sumbangan dari

komponen imajiner.

Gambar 1. Skema proses elektro-deposisi

(a) NiFe dan (b) Cu

Gambar 2. Ilustrasi multilayer

[Ni80Fe20/Cu]N hasil elektro-deposisi pada

substrat kawat Cu

(a)

(b)

+ -

Elektrolit pembentuk

Ni80Fe20

SubstratPlatina

A

V = 3,5 volt

J = 15,5 mA/cm2

4 cm

+ -

Elektrolit pembentuk

Cu

SubstratPlatina

A

V = 3,0 volt

J = 8 mA/cm2

4 cm

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-7

-40 -20 0 20 40

0.007

0.008

0.009

0.01

0.011 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis

Z (Ω

)

H (mT)

(a)frekuensi 20 kHz

-40 -20 0 20 400.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis

H (mT)

Z (Ω

)

(b)frekuensi 100 kHz

1 2 3 4 5

20

40

60

80

100

ΔZ/

Z (H

max

) ( %

)

f=20 kHzf=100 kHz

Jumlah Lapisan (N)

(c)

-40 -20 0 20 40

0.007

0.008

0.009

0.01

0.011 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis

Z (Ω

)

H (mT)

(a)frekuensi 20 kHz

-40 -20 0 20 400.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis

H (mT)

Z (Ω

)

(b)

frekuensi 100 kHz

1 2 3 4 5

20

40

60

80

100

ΔZ/

Z (H

max

) ( %

)

f=20 kHzf=100 kHz

Jumlah Lapisan (N)

(c)

-40 -20 0 20 40

0.007

0.008

0.009

0.01

0.011 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis

Z (Ω

)

H (mT)

(a)frekuensi 20 kHz

-40 -20 0 20 400.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22 N=1 lapisN=3 lapisN=5 lapis

H (mT)

Z (Ω

)

(b)

frekuensi 100 kHz

1 2 3 4 5

20

40

60

80

100

ΔZ/

Z (H

max

) ( %

)

f=20 kHzf=100 kHz

Jumlah Lapisan (N)

(c)

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

Teslameter

Power Supply

Solenoid

LCR meter

i acH dc

H ac

i dc

Magnetic wire

Gambar 3. Skema pengukuran magneto-

impedansi

HASIL DAN PEMBAHASAN

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.

Tipikal kasus N = 5, saat H = 0

mula-mula impedansi terukur sebesar Z =

22,8× 10-2 Ω. Nilai Z ini berangsunr-

angsur 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.

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-8

-40 -20 0 20 400.006

0.0075

0.009

0.0105

0.012

0.0135

H (mT)

Z (Ω

)

y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm

(a)frekuensi 20 kHz

-40 -20 0 20 40

0.12

0.15

0.18

0.21

0.24

0.27

H (mT)Z

(Ω)

y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm

(b)frekuensi 100 kHz

200 250 300 350 40020

40

60

80

100

120

Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)

ΔZ/

Z (H

max

) (O

hm)

f=20 kHzf=100 kHz

(c)

-40 -20 0 20 400.006

0.0075

0.009

0.0105

0.012

0.0135

H (mT)

Z (Ω

)

y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm

(a)frekuensi 20 kHz

-40 -20 0 20 40

0.12

0.15

0.18

0.21

0.24

0.27

H (mT)Z

(Ω)

y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm

(b)frekuensi 100 kHz

200 250 300 350 40020

40

60

80

100

120

Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)

ΔZ/

Z (H

max

) (O

hm)

f=20 kHzf=100 kHz

(c)

-40 -20 0 20 400.006

0.0075

0.009

0.0105

0.012

0.0135

H (mT)

Z (Ω

)

y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm

(a)frekuensi 20 kHz

-40 -20 0 20 40

0.12

0.15

0.18

0.21

0.24

0.27

H (mT)

Z (Ω

)

y = 200 nmy = 250 nmy = 300 nmy = 350 nmy = 400 nm

(b)frekuensi 100 kHz

200 250 300 350 40020

40

60

80

100

120

Tebal Lapisan Cu ( y) (nm)

ΔZ/

Z (H

max

) (O

hm)

(c)

f = 20 kHzf = 100 kHz

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

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 berturut-

turut 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.

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 Elektro-

deposisi. Jurnal Fisika dan

Aplikasinya, Vol. 10, No. 2, pp. 95 -

98.

SEMINAR NASIONAL FISIKA DAN PEMBELAJARANNYA 2015

ISBN 978-602-7273-1-9 F-M-9

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,

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. 204-

206.

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 Pico-

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

Detection of Biomarker. Biosensors and

Bioelectronics, Vol. 58, pp. 338 – 344.