Struktur dan Sifat Tunneling Magnetoresistance Sistem Nano Komposit Co-Al 2 O 3 Hasil Proses HEM (Setyo Purwanto)

## STRUKTUR DAN SIFAT TUNNELING MAGNETORESISTANCE SISTEM
NANO KOMPOSIT Co-Al 2 O 3 HASIL PROSES HEM
Setyo Purwanto 1 , Wisnu A. A. 1 , Mujamilah 1 dan Abdullah 2
1 Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang
2 Program Pascasarjana Ilmu Bahan - UI Jl. Salemba Raya No. 4, Jakarta

## ABSTRAK
STRUKTUR DAN SIFAT TUNNELING MAGNETORESISTANCE SISTEM NANO KOMPOSIT Co-Al 2 O 3 HASIL PROSES HEM . Telah dilakukan penelitian pada sistem komposit Co-Al 2 O 3 yang disiapkan dengan High Energy Milling ( HEM ) SPEX 8000 selama 1,5 jam, 4,5 jam, 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam. Dihipotesakan bahwa sifat magnetoresistance dari bahan tergantung pada fraksi fasa Co-HCPdan fasa Co-FCC dari material tersebut. Pengamatan dengan difraksi sinar-X diketahui terjadi perubahan keberadaan fasa Co-HCP menjadi Co-FCC akibat akumulasi stacking fault selama proses milling . Dari pengukuran VSM harga saturasi magnetik bahan menunjukkan penurunan dari 116 emu/gram menjadi 107, 46,2 dan 36,1 emu/gram. Hal ini menunjukkan bahwa proses milling membuat keberadaan fasa Co-HCP menurun dan fasa Co-FCC meningkat masing-masing untuk cuplikan pasca milling 1,5jam, 4,5jam, 12 jam dan 20 jam. Sifat Magnetoresistance diamati dengan menggunakan peralatan four point probe , diketahui terjadi peningkatan harga nisbah Magnetoresistance ( MR ) dari 0,5% , 4% , 5% dan 9% masing-masing untuk cuplikan pelet Co-Al 2 O 3 pasca milling 1,5jam, 4,5jam, 12jam dan 20jam. Hasil-hasil di atas terlihat konsisten dengan hasil penelitian pada sistem Co-Al 2 O 3 film tipis. Dari hasil SEM/EDX untuk komposit Co-Al 2 O 3 diketahui masing-masing perbandingan Wt % dari cobalt dan Al 2 O 3 adalah 23,06 : 78,18 pasca milling 12 jam serta 22,27 : 77,73 untuk pasca milling 20 jam.
Kata kunci : Komposit Co-Al 2 O 3 , Tunneling Magnetoresistance , milling energi tinggi ( HEM )

## ABSTRACT
STRUCTURE AND TUNNELING MAGNETORESISTANCE PROPERTIES OF Co-Al 2 O 3 AS GROWN BY HEM PROCESS. Study on structure and Tunneling Magnetoresistance (TMR) properties of Co-Al 2 O 3 material as prepared by using High Energy Milling (HEM) SPEX 8000 for 1.5 , 4.5 ,12 and 20 hours have been done. It is assumed that magnetoresistance characteristic of the material depends on Co-HCP and Co-FCC fraction. From X ray diffraction pattern has shown the evolution structure fron Co-HCP to Co-FCC due to the accumulation of stacking fault. Tunneling magnetoresistance properties has been measured by using four point probe device, the value of magnetoresistance are 0.5%, 4%, 5% and 9% for pellet Co-Al 2 O 3 after 1.5 , 4.5 , 12 and 20 hours milling process respectively. It is confirmed that from magnetic saturation value of the material measured by VSM shows a decline from 116 to 107 ,46.2 and 36.1 emu/gram for the sample after milling for 1.5 , 4.5 , 12 and 20 hours milling process. This shows that milling process makes HCP Co phase decreases and FCC Co increases. The statement above defines that there is a consistency with the research result on thin film Co-Al 2 O 3 system develop by sputtering technique.
Key words : Composite Co-Al 2 O 3 , tunneling magnetoresistance, high energy milling (HEM)

## PENDAHULUAN
Komposit Co-Al 2 O 3 diketahui dalam bentuk film tipis memiliki sifat magnetoresistance maksimum 12% pada suhu kamar dan 20% pada suhu helium cair dimana diketahui fasa Co-FCC dominan dibandingkan fasa Co-HCP [1]. Kemudian berturut-turut diketahui harga Magnetoresistance ( MR ) untuk komposisi granular film Co 36 Al 22 O 42 (12%), Co 46 Al 19 O 35 (9%), Co 52 Al 20 O 28 (8%) dan Co 54 Al 21 O 25 (6%) pada suhu kamar. Fenomena
Tunneling Magnetoresisitance ( TMR ) pada komposit ini terjadi diantara granular cobalt yang memiliki nilai maksimum pada komposisi Co 36 Al 22 O 42 (10,6%) pada suhu kamar [2]. Diketahui bahwa bahan Co memiliki sifat alotropik memiliki dua fasa yakni fasa Co-HCP dan Co-FCC dimana fasa Co-HCP lebih stabil pada suhu rendah sampai suhu ruang sedangkan fasa Co-FCC lebih stabil pada suhu tinggi [3]. Diketahui pula, pada
Co akibat proses miling dapat mengakibatkan transformasi fasa HCP-FCC [4,5].
Pada penelitian ini dilakukan sintesis dan karakterisasi komposit Co-Al 2 O 3 dengan proses High Energy Milling ( HEM ) dengan variasi waktu milling untuk mengetahui keberadaan fraksi fasa HCP dan FCC di dalam bahan Cobalt dan pengaruhnya terhadap struktur, sifat magnetik dan magnetoresistance di dalam komposit tersebut. Diharapkan dengan variasi waktu milling akan diperoleh komposit dengan perbandingan fraksi Co-HCP dan Co-FCC yang optimal sehingga dapat diperoleh sifat magnetik dan magnetoresistance yang terbaik.

## METODE PERCOBAAN
Bubuk Co dengan ukuran ± 1 mikron (kemurnian, 99,8%; Aldrich) mula-mula diamati dengan X-Ray Diffraction ( XRD ). Selanjutnya cobalt (Co) murni dicampur dengan alumina (Al 2 O 3 ) dengan ukuran ± 10 mikron (kemurnian 99,99% 10 mesh ) dengan massa keseluruhan ±10,8029 gram, dimana massa cobalt m = 2,6432 gram dan alumina (Al 2 O 3 )masa = 8,1597 gram dengan komposisi mendekati Co-Al 2 O 3 (36:64) dilakukan proses High Energy Milling ( HEM ) 8000 M di milling selama 1,5jam, 4,5jam, 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam. Proses Energy Milling ( HEM ) dilakukan dengan menggunakan Vial dari bahan Stainless Steel dengan volume (V= 65 mL) dengan lima bola massa rata-rata m = 6,9181 g).
Komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) dipeletisasi pada tekanan hingga 48,262 Mpa (7000 psi) baik untuk variasi waktu milling 1,5jam, 4,5jam, 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam. Untuk mengetahui struktur kristal dari komposit
Co-Al 2 O 3 (36:64) dilakukan pengamatan dengan X-Ray Diffraction mengetahui komposisi dan sebaran Cobalt dan Al 2 O 3 pada komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) dilakukan pengamatan dengan Scanning Electron Microscop SEM/EDX . Untuk mengetahui sifat kemagnetan dari komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) dilakukan pengamatan dengan Vibration Sample Magnetometer ( VSM ) dan Magnetoresistance ( MR Curve ).

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pengukuran Fasa dan Morfologi Komposit
Pola difraksi sinar-X dari partikel Co murni sebelum proses milling dan pola difraksi sinar-X dari komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) setelah dilakukan proses High Energy Milling ( HEM ) selama 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam ditunjukkan dalam Gambar 1a dan Gambar 1b pola hasil GSAS . Hasil difraksi sinar-X dari Cobalt murni setelah dilakukan GSAS diketahui bahwa Cobalt terdiri dari dua fasa yaitu fasa Co-HCP dan fasa Co-FCC dengan fraksi Co-HCP sebesar 88,886% dan fraksi Co-FCC sebesar 11,114%.
Dari hasil difraksi sinar-X pada Cobalt murni diperoleh profil puncak Co-HCP dan Co-FCC terlihat tajam untuk (002) H dan (111) C . Setelah dilakukan proses milling selama 12 jam pada cuplikan Co-Al 2 O 3 (36:64) diketahui profil puncak Co-HCP dan Co-FCC intensitas dari (002) H dan (111) C makin berkurang masing-masing 49,50% dan 53,90% untuk (101) H . Setelah proses milling sampai 20 jam profil puncak Co-FCC semakin melebar dibandingkan profil puncak Co-HCP. Hal ini menunjukkan bahwa kemungkinan terjadi transformasi fasa dari
0 50 100 150 200 250 300 350 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 (derajat) Co-Al2O3 20h Co-Al2O3 12h Co origin Co-hcp (1 0 0) Co-fcc (2 0 0) Co-hcp (1 0 1) Co-hcp+fcc (0 0 2) & (1 1 1) Al2O3 (1 1 3) Al2O3(0 1 2) Al2O3 (1 0 4) Al2O3 (0 2 4) Al2O3 (1 1 6) Al2O3 (3 0 0) Co-hcp+fcc (1 1 0) & (2 2 0) Co-hcp+fcc (1 1 2) & (3 1 1) Co-hcp (1 0 3) Al2O3 (1 0 10) Gambar 1 . Pola difraksi sinar-X bahan Co murni, Co-Al 2 O 3 pasca HEM 12 jam dan 20 jam.
Struktur dan Sifat Tunneling Magnetoresistance Sistem Nano Komposit Co-Al 2 O 3 Hasil Proses HEM (Setyo Purwanto)
Co-HCP menjadi Co-FCC setelah terjadi proses milling , seperti ditunjukkan Gambar 1.
Beberapa bentuk pola difraksi sinar-X dari cobalt murni diperoleh puncak (002) H dan (111) C merupakan puncak yang paling tinggi/kuat. Intensitas lebih besar yang diperoleh pada puncak (002) H dan puncak (111) C merupakan hasil preferensi keberadaan partikel Cobalt. Dari hasil difraksi sinar-X dengan perhitungan
o sampai dengan 60 o bahwa Cobalt murni sebelum proses HEM , komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) pasca milling 12 jam dan 20 jam diperoleh ukuran kristal masing-masing 22,1 nanometer, 16,6 nanometer dan 4,5 nanometer.
Hasil yang diperoleh dari analisa dengan GSAS dari data XRD untuk Cobalt origin diperoleh chi square 1,408 dan wrp 36.12% dan perbandingan fasa Co-HCP dengan Co-FCC masing-masing 83,778% dan 16,222%. Sedangkan untuk komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) pasca milling 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam diperoleh data untuk harga chi square , wrp , fasa Co-HCP dan Co-FCC masing-masing 1,859 dan 1,316; 31,34 dan 26,34;
Dari hasil pengamatan menggunakan Scanning Electron Microscope ( SEM ) setelah proses High Energy Milling ( HEM ) selama 12 jam dan 20 jam diperoleh sebaran Cobalt dan Al 2 O 3 ditunjukan pada Gambar 2a, Gambar 2b dan Gambar 2c. Dari hasil tersebut diperoleh perbandingan Co dan Al 2 O 3 didapatkan hasil yang signifikan, yaitu 22,27 : 77,73 dan 23,06 : 76,94 masing-masing untuk komposit Co-Al2O3 (36:64) setelah proses milling selama 12 jam dan 20 jam.

## Hasil Pengukuran Kurva Magnetisasi M-H
Untuk memastikan seberapa besar perubahan fasa Co-HCP menjadi Co-FCC akibat proses penggerusan dengan High Energy Milling(HEM) dilakukan pengukuran kurva magnetisasi M-H dengan hasil seperti diperlihatkan pada Gambar 3.
Dari kurva tersebut dapat dilihat bahwa lamanya proses penggerusan mengakibatkan saturasi magnetisasi, Ms pada medan H=1Tesla menurun, sebaliknya harga koercivitas intrinsik Hci meningkat. Penurunan harga Ms dipercaya akibat dari akumulasi s tacking fault yang menyebabkan fasa Co-HCP berubah menjadi Co-FCC. Sedangkan peningkatan nilai Hci diduga akibat dari perubahan bentuk bubuk atau powder
Cobalt Origin 3500X
Co-Al 2 O 3 (36:64) 12h 3500X Co-Al 2 O 3 (36:64) 20 jam, 3500X
Gambar 2 . Morfologi hasil milling pada cuplikan Cobalt, dan Co-Al 2 O 3 dengan variasi waktu milling 12jam dan 20jam. -150 -100 -50 0 50 100 150 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 H (T) 20 jam 12 jam 4.5 jam 1.5 jam Serbuk Co Gambar 3 . Kurva histerisis serbuk komposit Co-Al 2 O 3 variasi waktu milling . Bahan Hc
(Oe) Mr (Oe) Magnetisasi (Ms) pada H=1Tesla (emu/gram) Konstanta Anisotropis, Ku 10 6 (erg/cc) Serbuk Cobalt 302 9.05 120 0,161 Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 1,5 jam 361 12.7 116 0,189 Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 4,5 jam 324 11.8 107 0,154 Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 12 jam 467 11.4 46.2 0,096 Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 20 jam
459
11.0 36.1 0,0737
Tabel 1 . Harga korsivitas Hc , magnetisasi sisa Mr , magnetisasi jenuh Ms dan konstanta anisotropi (Ku) pada sistem komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) dengan variasi waktu milling .
pada cuplikan Co dari berbentuk butiran menjadi agak pipih seperti terlihat pada Gambar 2a. Tabel 1 memperlihatkan simpulan dari hasil pengukuran sifat magnetik pada cuplikan komposit Co-Al 2 O 3 menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

## Hasil dan Analisis Pengukuran GMR
Pengukuran sifat magnetoresistance (MR) pada serbuk Cobalt dan sistem komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) setelah dilakukan proses milling variasi waktu 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam dapat dilihat pada Gambar 4, Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7. Seperti yang diharapkan, dengan penambahan waktu milling diperoleh fraksi fasa Co-FCC lebih banyak dibandingkan dari fraksi fasa Co-HCP, sehingga mengakibatkan peningkatan pada harga absolute rasio magnetoresistance (MR) dan ini diperlihatkan pada Gambar 4 sampai Gambar 7. Pengukuran terhadap nisbah MR dilakukan dengan Arus I=0,001 mA sampai dengan I=0,1 mA.
Dari gambar di atas diketahui dari pengukuran Magnetoresistance MR rasio (%) saat diberikan medan magnet luar sampai 1 Tesla pada sistem komposit
Co - Al 2 O 3 , akibat waktu milling 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam terlihat pada Gambar 8.
Dari data tersebut diketahui akibat proses milling pada sistem komposit Co -Al 2 O 3 terjadi kenaikan harga magnetoresistance MR ratio sebesar 5,092 % setelah -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 Medan Magnet H (T) Co_Al2O3 Milling 1.5 jam
Gambar 4 . Kurva rasio Magnetoresistance Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 hasil HEM 1,5 jam.
Gambar 5 . Kurva rasio Magnetoresistance Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 hasil HEM 4,5 jam. -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 Medan Magnet H (T) Co_Al2O3 Milling 4.5 jam -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 Medan Magnet H (T) Co_Al2O3 Milling 12 jam
Gambar 6 . Kurva rasio Magnetoresistance Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 hasil HEM 12 jam.
Gambar 7 . Kurva rasio Magnetoresistance Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 hasil HEM 20 jam. -10 -8 -6 -4 -2 0 2 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 Medan Magnet H (T)
Co_Al2O3 Milling 20 jam
Gambar 8 . Harga Magnetoresistance ( MR ) setelah diberikan medan magnet luar 1 Tesla pada sistem komposit
Co - Al 2 O 3 dengan variasi waktu milling. 0,05 5,15 5,30 9,39 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 Waktu Milling (jam)
Struktur dan Sifat Tunneling Magnetoresistance Sistem Nano Komposit Co-Al 2 O 3 Hasil Proses HEM (Setyo Purwanto)
dilakukan milling dari (1,5 - 4,5) jam, kenaikan 0,15% setelah milling (4,5 – 12) jam serta kenaikan MR ratio 4,095% setelah milling (12 – 20) jam. Dari data yang diperoleh akibat proses milling sampai 20 jam pada sistem komposit Co 36 -(Al 2 O 3 ) 64 diperoleh harga magnetoresistance ( MR ) sampai 9,39%, dimana sampel yang diukur dalam bentuk pelet.

## KESIMPULAN
Perubahan fasa cobalt dari fasa HCP ke FCC terjadi setelah dilakukan proses milling selama 1,5 jam, 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam terjadi akibat akumulasi stacking fault . Hal ini menyebabkan nilai magnetoresistance dari komposit Co-Al 2 O 3 (36:64) meningkat dari hanya 0,5% menjadi 9%. Hasil ini mendekati nilai nisbah magnetoresistance ( MR ) yang diketemukan pada sistem nano komposit film Co-Al 2 O 3 .

## DAFTAR ACUAN
[1]. H. FUJIMORI, S. MITANI, K. TAKANAHASHI,
Materials Science and Eng. A ., 267 (1999)
184-192
[2]. S. MITANI, et. al., Phys. Rev. Letters ., 81 (13) (1998) 2799 -2802
[3]. YOUNG,D.A., Phase Diagrams of the Elements , Berkeley – California Univ. Press (1991)
[4]. J. SORT, et. al., Philosophical Magazine , 83 (4)
(2003) 439-455
[5]. J.Y. HUANG, et. al., Appl. Phys. Lett ., 66 (3) (1995) 308-310