Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
EVOLUSI SIFAT MAGNETORESISTANCE PADA CUPLIKAN KOMPOSIT Fe-C ( GRAPHITE ) HASIL SINTESIS

## DENGAN METODE MECHANICAL ALLOYING
Setyo Purwanto, Wisnu A. A., Ari Handayani dan Mashadi Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
EVOLUSI SIFAT MAGNETORESISTANCE PADA CUPLIKAN KOMPOSIT Fe-C ( GRAPHITE ) HASIL SINTESISDENGAN METODE MECHANICAL ALLOYING . Metode Mechanical Alloying dengan menggunakan Milling Energi Tinggi atau High Energy Milling telah dimanfaatkan untuk mensintesis cuplikan komposit Fe-C( graphite ) dengan komposisi Fe 20 % berat dan C( graphite ) 80 % berat. Perbandingan berat bola dan cuplikan adalah 1,5 : 1, dengan berat cuplikan 20 gram. Waktu milling dilakukan bervariasi dari 4,5 jam, 9 jam, 13,5 jam dan 18 jam. Pada setiap tahapan waktu milling , cuplikan diambil sebanyak 5 gram. Kemudian pada cuplikan di setiap tahapan dilakukan pengukuran fasa yang terbentuk dengan difraksi sinar-X, morfologi dari serbuk dengan Scanning Electron Microscope ( SEM ) dan sifat magnetoresistance dari pelet dengan metode four point probe . Diketahui bahwa efek waktu milling menyebabkan rusaknya struktur graphene pada graphite dengan ditandai menurunnya puncak [002] namun tidak dijumpai fasa pengotor selain Fe dan C ( graphite ) serta mengecilnya ukuran butiran dan partikel diperlihatkan oleh citra SEM yang diperoleh. Sifat magnetoresistance bahan diketahui mengalami evolusi dari negatif magnetoresistance sebesar -4 % untuk cuplikan 4,5 jam menjadi positif 0,2% pada cuplikan pasca milling 18 jam. Dugaan sementara evolusi magnetoresistance ini disebabkan oleh masuknya partikel Fe ke dalam matriks graphite akibat proses milling .
Kata kunci : Evolusi magnetoresistance , Komposit magnet Fe-C, Mechanical alloying , High Energy Milling

## ABSTRACT

## EVOLUTION OF MAGNETORESISTANCE ON COMPOSITE Fe-C SYNTHESIZED BY
MECHANICALALLOYING METHOD . We prepared Fe-C composite by mechanical alloying method with the composition Fe 20 wt% and C(graphite) 80wt%. The ratio between ball and sample is 1.5 : 1, the weight of sample was 20 gram. The variation milling time is 4.5 hours, 9 hours, 13.5 hours and 18 hours. For each step milling time around 5 gram sample was taken. Then, the samples were measured by X-ray diffraction and Scanning Electron Microscope ( SEM ) to investigate phase and morphologi of the composite . The four point probe (FPP) was performed to study the evolution of magnetoresistance(MR) properties of the samples. It was found that MR change from negative to positive magnetoresistance due to the milling time from -4% going to +0.2% past 18 hours milled. It is suggest that the evolution related to the microstrucure of graphite (C) matrix.
Key words : Magnetoresistance evolution, Composite magnetic Fe-C, Mechanical alloying, High Energy Milling

## PENDAHULUAN
Investigasi sifat transpor elektron pada bahan carbon dan kompositnya menjadi studi yang menarik karena berkaitan langsung dengan ketidaksempurnaan struktur kristal dan struktur elektroniknya. Defect atau kerusakan pada bahan berbasis karbon akan mempengaruhi sifat elektronik dan magnetik sekaligus. Beberapa studi seperti yang dilakukan Romanenko et.al menunjukkan adanya evolusi sifat magnetoresistance pada partikelnano karbon akibat proses grafitization
nanodiamond dari Negative Magnetoresistance ( NMR ) sampai medan H=3 Tesla namun berubah menjadi Positive Magnetoresistance ( PMR ) pada medan H>3Tesla [1].
Selain itu penelitian lain tentang hasil sintesis dan karakterisasi bahan komposit Fe x -C 1-x yang memiliki sifat Positive Magnetoresistance ( PMR ) [2]. Metode pembuatan yang dipergunakan adalah dengan memvariasi bahan Fe dan C yang berukuran mikrometer dan dimasukkan dalam graphite mould kemudian
Evolusi Sifat Magnetoresistance pada Cuplikan Komposit Fe-C (graphite) Hasil Sintesis dengan Metode Mechanical Alloying (Setyo Purwanto)
dipanaskan pada suhu 770 K selama 1 jam dibawah tekanan hidrostatis 20 Mpa. Lalu tekanan dinaikkan sampai 40 Mpa seraya suhu dinaikan menjadi 1273 K. Keadaan ini dibiarkan selama 3 jam untuk mendapatkan cuplikan pelet komposit Fe-C yang sudah ter sintering . Kemurniaan dari masing-masing bahan adalah lebih dari 99,99 %. Hasil pengukuran sifat nisbah/rasio magnetoresistance menunjukkan harga optimum pada komposisi Fe 0,2 C 0,8 persen berat, yaitu sekitar 53,8 % pada medan magnet H=5Tesla sedangkan untuk komposisi Fe 0,5 C 0,5 nilai nisbah magnetoresistance adalah 40% pada medan magnet H=5Tesla atau sekitar 10 % pada medan magnet H=1Tesla.
Mekanisme terjadinya fenomena Positive Magnetoresistance belum dapat dijelaskan kecuali bahwa besaran rasio MR berbanding lurus dengan medan yang diberikan, yaitu M r  B n dengan n adalah konsentrasi berat Fe. Berbeda dengan metode Xue et.al, pada penelitian ini dilakukan sintesis nanokomposit Fe-C dengan teknik High Energy Milling ( HEM ) dengan variasi waktu milling untuk mengetahui pengaruh proses milling dan penghalusan matriks graphite terhadap sifat magnetoresistance . Adapun ruang lingkup studi ini adalah proses sintesis nanokomposit, karakterisasi fasa dengan difraksi sinar-X, morfologi nanopartikel dengan Scanning Electron Microscope ( SEM ) dan studi sifat magnetoresistance dengan metode four point probe .

## METODE PERCOBAAN

## Bahan
Fe 99,9% ukuran 10 mikron, C(graphite) 99,5% ukuran 50 mikron.

## Cara Kerja
Bahan Fe dan C ditimbang dalam prosen berat, dengan komposisi Fe(20)-C(80) . Total berat cuplikan sekitar 20 gram, kemudian dilakukan milling dengan perbandingan berat bola/berat cuplikan sekitar 1 : 8. Vial dan bola yang digunakan terbuat dari bahan stainless steel. Waktu milling divariasi antara 4,5 jam, 9 jam, 13,5 jam dan 18 jam dan pencuplikan dilakukan dengan mengambil sekitar 4 gram hingga 5 gram dari vial untuk setiap waktu milling tersebut di atas. Setelah di milling cuplikan diperiksa dengan difraksi sinar-X dan SEM / EDX . Selanjutnya dibuat pelet pada tekanan sekitar 5000 Psi, kemudian dilakukan karakterisasi sifat magnetoresistance dengan four point probe dengan probe Jandel berdiameter 100 mikron.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Difraksi Sinar-X
Dari Gambar 1, terlihat bahwa efek milling mengakibatkan rusaknya struktur lapisan/ graphene dari
graphite yang diwakili oleh puncak 002 grafit pada sudut 2 theta = 26,38 derajat yang menurun sangat drastis setelah mendapat perlakuan milling . Dari intensitas awal sekitar 2800 cps menjadi hanya sekitar 660 cps, 400 cps dan 256 cps masing-masing untuk waktu milling 4,5 jam, 9 jam, 13,5 jam dan 18jam. Pelebaran dari lebar puncak setengah maksimum (fwhm) dari puncak (002)grafit juga terlihat dengan jelas. Hal ini menunjukkan terjadinya penghalusan ukuran kristalit pada bidang tersebut. Hasil analisis puncak 002 grafit dan 110 Fe seperti disajikan pada Tabel 1, memperlihatkan terjadinya penghalusan ukuran kristalit grafit dari 20 nm menjadi 10,7 nm, 8,9 nm dan 6,3 nm berturut-turut untuk cuplikan pasca milling 4,5 jam, 9 jam, 13,5 jam dan 18 jam.
Secara umum pada profil pola difraksi sinar X tidak dijumpai adanya fasa antara dan pengotor akibat proses milling , selain fasa Fe dan grafit yang membentuk komposit Fe-C seperti akan dilaporkan pada makalah yang lain [3].
Magnetoresistance dan Kurva Magnetisasi M-H
Secara intrinsik bahan grafit Karbon diketahui memiliki nisbah magnetoresistance bernilai negatif [4]. Akibat proses Mechanical Alloying dengan High Energy Milling terlihat adanya proses evolusi sifat magnetoresistance tadi seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Pada cuplikan pasca milling 4,5 jam nilai nisbah MR sekitar -4 % yang
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 20 30 40 50 2T heta(degree) In te n s it y (c p s ) Fe-C 4,5jam Fe-C 9jam fe-C 13,5jam fe-C 18jam
Gambar 1 . Profil pola difraksi sinar-X dari cuplikan komposit Fe-C variasi waktu milling 4,5 jam, 9 jam, 13,5 jam dan 18 jam
Tabel 1 . Ukuran Kristalit Unsur Graphite dan Fe pada cuplikan
Komposit Fe-C Lama Waktu Milling Graphite(C) (nm) Besi(Fe) (nm) 4,5jam 20,0 29,0 9 jam 10,7 30,8 13,5jam 8,9 31,9 18 jam 6,3 34,2
diukur pada medan luar H=0,8 Tesla, kemudian berubah menjadi -2% untuk cuplikan 9 jam, mulai menjadi positif 0,1% untuk cuplikan pasca milling 13,5jam dan terakhir menjadi +0,2% untuk cuplikan hasil milling 18jam.
Hasil pengukuran ini menunjukkan fenomena yang agak berbeda dengan gejala positiv magnetoresitance ( PMR ) pada Fe-C yang ditumbuhkan dengan cara pemanasan dibawah tekanan[2]. Pada cuplikan dengan metode tersebut sejak awal menunjukkan gejala PMR . Sedangkan pada cuplikan dengan teknik milling ini evolusi fenomena MR adalah dari negative MR ( NMR ) menuju PMR seiring dengan bertambahnya waktu proses milling yang berkorelasi dengan penghalusan ukuran kristalit grafit seperti ditampilkan pada Tabel 1 dan rusaknya sistem struktur lapisan graphene pada graphite (C) .
Jika asumsi ini benar, maka penelitian ini setidaknya dapat menjelaskan gejala PMR terjadi pada sistem komposit Fe-C. Fenomena positive magnetoresistance ( PMR ) juga dilaporkan pada cuplikan film tipis Fe3C/Si yang ditumbuhkan dengan metode Pulsed Laser Deposition ( PLD ) [5]. Pada penelitian tersebut diketahui cuplikan memiliki sifat positive
magnetoresistance yang ditimbulkan oleh mobilitas elektron pada lapisan Si dan akibat gaya Lorentz pada elektron sehingga terjadi pembalikan nilai nisbah magnetoresistance menjadi positif. Harga nisbah magnetoresistance ( MR ) pada suhu 350 K adalah 45 % dan 17 % untuk arus tegak lurus medan dan sejajar medan.
Morfologi Cuplikan dengan SEM/EDX
Gambar 3, memperlihatkan morfologi cuplikan serbuk variasi waktu milling . Jelas terlihat bahwa ukuran serbuk Fe-C mengecil sampai orde sub-mikron begitu waktu milling bertambah lama.

## KESIMPULAN
1. Sintesa bahan nanokomposit Fe-C(grafit) telah dapat dilakukan dengan menggunakan High Energy Milling SPEX 8000M
2. Pada cuplikan dengan kompisisi Fe 0,2 C 0,8 dilakukan proses milling selama 4,5 jam, 9 jam, 13,5 jam dan 18 jam dan terjadi proses defect pada struktur graphene dari grafit secara signifikan ditandai denganmenurun drastisnya puncak C 002 pada pola difraksi sinar-X.
3. Evolusi sifat magnetoresistance terjadi akibat proses milling dengan nilai nisbah magnetoresistance ( MR ) -4% , -1,5%, 0,05 dan 0,2% setelah proses milling 18 jam.
4. Jika diasumsikan proses magnetoresistance yang terjadi adalah electron tunneling antar Fe granular dengan matriks grafit sebagai potensial barrier , maka penghalusan butiran grafit menjadi sub mikron bertanggung jawab evolusi ini terjadi.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis utama (SP) mengucapkan terimakasih kepada Kepala PTBIN-BATAN (Dr. Ridwan) atas terselenggaranya penelitian ini dengan menggunakan dana DIPA tahun 2006.

## DAFTAR ACUAN
[1]. ROMANENKO et.all., Phys. Of Solid State , 44 (3)
(2002) 487-489
[2]. XUE et.all., J. of Magn. And Magn. Mater , 270 (2004) 397- 402
[3]. ENGKIR S. et.all., Analisis Rietveld pada cuplikan Komposit Fe-C pasca Milling, private comm [4]. BERGMANN et.all., Phys. Rep ., 107 (1984) 1
[5]. J. TANG, J. DAI, K. WANG,W. ZHOU. N. RUZYKI and U. DIEBOLD, J. of. Appl. Phys ., 91 (10)
(2002) 8411
-4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 0 2 4 6 8 10 Medan Magnet, H (kOe) {[  (H) -  (0)] /  (0)} (%) Fe-C Mill 4.5 h Fe-C Mill 9 h Fe-C Mill 13 h
Fe-C Mill 18 h
Gambar 2 . Kurva Magnetoresistance (MR) dari komposit Fe-C variasi waktu milling
Gambar 3 . Morfologi cuplikan serbuk pasca milling 4,5 jam (kanan bawah), 9 jam (kiri bawah), 13,5 jam (kanan atas) dan 18 jam (kiri atas). Skala garis putih sebanding dengan 1 mikrometer.