Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007

## GIANT MAGNETORESISTANCE PADA PADUAN CaMnO
3
Wisnu Ari Adi 1 , Setyo Purwanto 1 , Engkir Sukirman 1 , DudungAbdul Kodir 2 dan Budhy Kurniawan 2
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek Serpong 15314, Tangerang
2 Departemen Fisika, FMIPA-UI Kampus Baru UI, Depok 16424

## ABSTRAK
GIANT MAGNETORESISTANCE PADA PADUAN CaMnO 3 . Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi Giant Magnetoresistance ( GMR ) paduan CaMnO 3 . Sintesis bahan CaMnO 3 menggunakan metode Mechanical Alloying . Bahan ini di milling selama 12 jam dan dilakukan proses pemanasan pada suhu 1000 o C selama 9 jam. Hasil pengukuran dengan difraksi sinar-x ( XRD ) menunjukkan bahwa paduan CaMnO 3 memiliki kualitas yang cukup baik. Hasil foto dengan Scanning Eectron Microscope ( SEM ) menunjukkan bahwa butir-butir kristal berbentuk bulat-bulat hampir homogen di seluruh permukaan paduan dengan ukuran butiran sekitar 200 nm hingga 300 nm walaupun masih tampak adanya porositas. Paduan CaMnO 3 ini memiliki rasio magnetoresistance  /  cukup besar sebesar 28%. Disimpulkan bahwa telah diperoleh paduan giant magnetoresistance CaMnO 3 yang memiliki sifat magnetoresistance sangat baik. Rasio GMR pada penelitian ini 2 kali hingga 10 kali lebih besar dibandingkan dengan penelitian sebelumnya.
Kata kunci : Giant Magnetoresistance , CaMnO 3

## ABSTRACT
THE GIANT MAGNETORESISTANCE ON THE CaMnO 3 COMPOUND . Synthesis and characterization of the giant magnetoresistance (GMR) CaMnO 3 has been performed. Synthesis of CaMnO 3 material was done by mechanical alloying method. The material is milled for 12 hours and sintered at 1000 o C for 9 hours. The result of the XRD measurement shows that the material has good quality. The result of the SEM photo shows that the CaMnO 3 particles appear to be homogenizes nearly and have particle size about 200 – 300 nm. The CaMnO 3 alloy has magnetoresistance ratio  /  of about 28%, which is 2 until 10 time as larger than other researchers. We conclude that giant magnetoresistance material of CaMnO 3 has been successfully synthesis.
Key words : Giant Magnetoresistance, CaMnO 3

## PENDAHULUAN
Giant Magnetoresistance ( GMR ) pertama kali diteliti pada lapisan tipis magnet multilayer Fe/Cr pada tahun 1998 [1]. Pada sistem ini, lapisan magnetik besi setebal 30 Å dipisahkan oleh lapisan chromium setebal 9 Å hingga 30 Å. Momen magnetik lapisan Fe yang bersifat feromagnetik dikelilingi oleh lapisan Cr yang bersifat antiferomagnetik. Dengan mengurangi ketebalan dari lapisan antiferomagnetik Cr diantara lapisan Fe, dapat dihasilkan efek magnetoresistance yang sangat besar. Pada suhu 4,2 K dan medan magnetik 2 T, lapisan Cr setebal 9 A dapat menghasilkan penurunan resistansi hampir 50 %. Sedangkan pada suhu kamar, resistansi berkurang sampai 25 %.
Dewasa ini banyak bahan-bahan lain yang ditemukan dan memperlihatkan perilaku Giant
Magnetoresistance ( GMR ) terutama pada bahan yang memiliki komposisi A 1-x B x MnO 3 dimana A adalah triple ionized atom yaitu atom yang memiliki jumlah valensi 3+ (misal : La, Nd atau Pr), dan B adalah double ionized atom yaitu atom yang memiliki jumlah valensi 2+ (misal : Ca atau Sr). Struktur kristal bahan ini menyerupai mineral perovskite , CaTiO 3 . Bahan ini juga dikenal sebagai like perovskite atau perovskite sederhana. Dari pelopor peneliti sebelumnya yang dilakukan sejak tahun 1950. Mereka menerbitkan beberapa review dari sistem biner LaMnO 3 -CaMnO 3 , LaMnO 3 -SrMnO 3 , LaMnO 3 -BaMnO 3 , LaMnO 3 -CdMnO 3 dan LaMnO 3 -PbMnO 3 . Mangan (Mn) dipilih sebagai ion penyusun bahan magnetik sebab pada paduan LaMnO 3 , Mn memperlihatkan sifat ferromagnetik pada suhu rendah [2].
Giant Magnetoresistance Pada Paduan CaMnO 3 (Wisnu Ari Adi)
Penelitian sebelumnya yang dilakukan pada sampel RMnO 3 (R = La, Ca, dan Sr) diperoleh rasio GMR hanya berkisar 16% hingga 18% [3]. Juga dilaporkan bahwa rasio GMR sampel LaMnO 3 hanya 0,8 % hingga 1% [4].
Pada makalah ini dilaporkan hasil penelitian GMR pada paduan CaMnO 3 . Bahan CaMnO 3 disintesis dengan metode reaksi padatan ( solid state reaction ), yaitu dengan mencampurkan bahan dasar kemudian di- milling sedemikian rupa sehingga diharapkan dapat diperoleh campuran yang homogen dengan ukuran partikel yang sangat kecil. Pembentukan fasa paduan ini dilakukan dengan memanaskan pada suhu tertentu dengan waktu penahanan yang cukup lama dengan harapan paduan ini dapat mengikat oksigen cukup banyak sehingga kesempurnaan fasa CaMnO 3 dapat tercapai.
Jadi tujuan penelitian ini adalah untuk mensintesis dan mengkarakterisasi paduan CaMnO 3 yang memiliki rasio magnetoresistance sangat tinggi.

## METODE PERCOBAAN
Sampel CaMnO 3 dibuat dengan metode reaksi padatan dari oksida-oksida penyusun, yaitu : Calcium Carbonate (CaCO 3 ) dan Manganese (IV) Oxide (MnO 2 ), dengan perbandingan stokiometri unsur Ca : Mn = 1 : 1. CaCO 3 dan MnO 2 berturut-turut dengan kemurnian 95% dan 90%, dicampurkan dengan memakai katalis 2-propanol dan memenuhi persamaan reaksi :
2-propanol
CaCO 3 + MnO 2
CaMnO 3 + CO 2 Metode pencampuran bahan ini dengan menggunakan teknik Mechanical Alloying . Peralatan yang digunakan adalah Planetary Ball Mill yang terdapat di laboratorium Fisika Universitas Indonesia dengan spesifikasi sebagai berikut : normal speed = 100 rpm , run time = 30 menit, balance time 30 = menit, of time = 5 menit, dan on of cycle = 6 kali. Proses ini banyak digunakan untuk menghasilkan berbagai macam bahan nanostruktur.
Ball Mill ini terdiri dari sebuah wadah ( vial ) yang di dalamnya terdapat bola-bola ( hard ball ) yang bergerak secara sentrifugal dan berfungsi untuk menghaluskan sampel serbuk. Selain untuk menghasilkan butiran yang relatif kecil, Ball Mill ini juga menyebabkan terbentuknya struktur yang metastabil. Pada penelitian ini sampel CaMnO 3 di- milling selama 12 jam di suhu ruang. Kemudian sampel tersebut dipanaskan pada suhu 1000 o C selama 9 jam.
Setelah proses pemanasan, sampel dicetak sehingga berbentuk pelet silinder. Proses pencetakan dilakukan dengan memberikan tekanan dari satu sisi ( single action pressing ). Masing-masing sampel yang telah dicetak memiliki dengan diameter 10 mm dan tebal 2 mm sampai dengan 3 mm pada tekanan 5000 psi.
Pengamatan kualitas dan kuantitas fasa-fasa di dalam sampel dilakukan dengan X – Ray Diffractometer (XRD) merek Philip , type PW1710. Pengukuran pola difraksi sampel dilakukan dengan berkas sinar-X dari tabung anoda Cu dengan panjang gelombang, l = 1,5406 Å, mode = continuous-scan, step size = 0,02°, dan time per step = 0,5 detik. Pengamatan strukturmikro sampel dilakukan dengan menggunakan SEM ( Scanning Electron Microscope ) 515 Phillip . Sedangkan pengukuran GMR sampel dilakukan dengan menggunakan alat ukur V-I dan V-T dengan metode Four Point Probe ( MFPP ) [5]. Karakterisasi sampel tersebut dilakukan di Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis pola difraksi sinar-X dengan metode Rietveld [6] pada sampel CaMnO 3 dilakukan dengan prosedur sebagai berikut : sampel dimisalkan hanya terdiri dari CaMnO 3 , oleh karena itu hanya dimasukkan parameter struktur kristal fasa CaMnO 3 . Pada refinement (penghalusan) tahap pertama sebanyak 20 iterasi, dihasilkan occupation factor g untuk atom Ca dan Mn, masing-masing lebih besar dari 1,0 dan parameter-parameter lainya berharga normal (0<g  1). Kemudian refinement diulang dengan mempertahankan harga g(Ca 2+ dan Mn 4+ ) = 1,0. Hasil iterasi menunjukkan bahwa semua parameter struktur kristal dan parameter kisi berharga normal. Atom-atom ringan seperti oksigen juga di- refinement dengan menggunakan data dari hasil penelitian terdahulu [7]. Hasil refinement tersebut kemudian di plot menggunakan program grafik IGOR Pro dan diperoleh kurva fitting pola difraksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Tampak pada Gambar 1 bahwa pola difraksi sinar-x hasil observasi dan kalkulasi berturut-turut ditunjukkan dengan simbol (symbol +) dan (line (-)). Posisi puncak dan kurva selisih antara observasi dan kalkulasi berturut-turut ditunjukkan dengan simbol (bar (I)), dan (line (-)) [7]. Pada Gambar 1 tampak bahwa pola difraksi hasil analisis menunjukkan adanya puncak-puncak yang berimpit dengan profil pola
Gambar 1 . Hasil refinement dari pola difraksi sinar-x pada paduan CaMnO 3

## difraksi fasa CaMnO
3 . Hal ini menunjukkan bahwa sampel yang telah dibuat memiliki fasa CaMnO 3 . Sedangkan data parameter struktur kristalnya ditunjukkan pada Tabel 1.
Data parameter kisi, suhu dan faktor R untuk sampel CaMnO 3 berturut-turut adalah a = 5.2965(6) Å; b = 7.479(1) Å; c = 5.278(1) Å; Q j = 4.2(2); R WP = 29,3; R P = 19,8; R I = 11,8; R F = 11,0; dan S = 1,28. Tampak bahwa faktor R relatif kecil, dan faktor S bernilai lebih kecil dari nilai standar Rietveld (S standar = 1,30). Sampel CaMnO 3 memiliki struktur kristal orthorhombic dengan space group Pnma (No. 62).
Pada Gambar 2 adalah mikro struktur dari permukaan sample CaMnO3 dipotret menggunakan SEM , dengan perbesaran hingga 10000 kali. Pada Gambar 2, tampak bahwa butir-butir kristal berbentuk bulat-bulat hampir homogen di seluruh permukaan sampel dengan ukuran butiran sekitar 200 nm hingga 300 nm. Dari foto SEM tersebut juga tampak hasil proses difusi akibat proses pemanasan.
Pada Gambar 3 diperlihatkan sifat GMR paduan CaMnO 3 yang diukur dalam rentang medan magnet -7,6 kOe sampai dengan 7,6 kOe. Sifat GMR adalah perubahan resistivitas bahan dalam pengaruh medan magnet luar H. Sifat magnetoresistance yang lazim diteliti banyak orang adalah negative magnetoresistance . Apabila gejala penurunan resistivitas ini cukup besar maka disebut dengan sifat Giant Magnetoresistance ( GMR ). Sifat GMR dicirikan dengan rasio magnetoresitance, yaitu  /  , dimana  /  adalah
selisih harga tahanan listrik (resistivitas) ketika dikenakan medan magnet. Dan  /  disini diukur pada kondisi arah medan magnet luar searah medan magnetisasi bahan. Sifat magnetoresistance terjadi akibat adanya transisi fasa metamagnetik dimana momen atom Mn yang tersusun secara antiferomagnetik akan berubah menyusun dirinya menjadi feromagnetik ketika dikenakan medan magnet luar [8].
Proses pemanasan diyakini telah mengubah mikro struktur , semula hanya berupa kumpulan serbuk menjadi serbuk yang lebih rapat dan kemudian membentuk pulau- pulau dari fasa yang sama yaitu CaMnO 3 . Proses pemanasan ini juga mengakibatkan terbentuknya grain yang berisi domain magnetik fasa CaMnO 3 . Berdasarkan model magnetic granular solid [8], besaran resistivitas muncul akibat terjadinya hamburan ( scattering ) elektron oleh potensial grain dan momen dipole magnetik antara domain di dalam suatu butir.
Sedangkan proses milling diyakini telah memberikan kontribusi besar untuk peningkatan rasio magnetoresistance . Proses milling ini mengakibatkan hancurnya partikel besar menjadi partikel yang lebih kecil. Sedangkan setiap partikel terdiri dari beberapa grain , sehingga memiliki grain boundary . Apabila dalam satu partikel memiliki grain boundary , maka terdapat domain magnetic dengan arah yang bermacam-macam, sehingga untuk membalik domain magnetic tersebut diperlukan energi yang cukup besar. Berbeda apabila dalam satu partikel hanya ada satu grain , maka domain magnetic dapat dengan mudah dibelokkan menjadi satu arah magnetisasi. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa terdapat beberapa partikel yang hanya memiliki satu grain akibat proses milling . Dengan demikian pembalikan domain magnetic dari antiferomagnet feromagnetik akan mudah terjadi pada medan magnet yang relatif rendah.
Pada paduan CaMnO 3 yang di milling selama 12 jam dengan proses pemanasan pada 1000 o C selama 9 jam memiliki harga rasio magnetorsistance cukup besar yaitu berkisar 28%. Penelitian yang dilakukan sebelumnya dengan menggunakan sampel RMnO 3 (R = La, Ca, dan Sr) menghasilkan rasio magnetoresistance hanya berkisar 16 % hingga 18% [3].
Koordinat fraksi atom
Atom Faktor hunian atom, g
x y z Ca Mn O(1) O(2) 1,0 1,0 0,85(2) 0,95(9) 0,032(2) 0,0 0,488(7) 0,226(1) 0,25 0,0 0,25 0,020(7) -0,013(5) 0,5 0,079(2) 0,708(1) Tabel 1 . Data parameter struktur kristal pada sampel CaMnO 3
Gambar 2 . Foto SEM pada CaMnO 3 dengan perbesaran 10.000 kali
Gambar 3 . Kurva  /  terhadap medan magnet CaMnO 3 yang di milling selama 12 jam dengan pemanasan pada suhu 1000 o C selama 9 jam
Giant Magnetoresistance Pada Paduan CaMnO 3 (Wisnu Ari Adi)
Begitu pula menurut penelitian sebelumnya dilaporkan bahwa rasio magnetoresistance sampel LaMnO 3 hanya berkisar 0,8 % hingga 1% [4]. Hasil penelitian ini memiliki rasio magnetoresistance yang jauh lebih baik dibandingkan dengan penelitian-penelitian sebelumnya diduga disebabkan paduan ini memiliki ukuran butir yang sangat kecil. Keberhasilan ini memberikan dampak positif pada penelitian-penelitian selanjutnya guna meningkatkan kualitas bahan-bahan yang memiliki sifat GMR yang cukup tinggi.

## KESIMPULAN
Dalam penelitian ini telah dilakukan sintesis dan karakterisasi giant magnetoresistance pada paduan CaMnO 3 . Hasil analisis menunjukkan bahwa fasa yang terbentuk pada paduan ini hanyalah fasa CaMnO 3 . Dari hasil foto SEM ditunjukkan bahwa butir-butir kristal berbentuk bulat-bulat hampir homogen di seluruh permukaan sampel dengan ukuran butiran sekitar 200 nm hingga 300 nm. CaMnO 3 hasil sintesis pada penelitian ini memiliki rasio magnetoresistance  /  sebesar 28%. Rasio magnetoresistance ini jauh lebih baik dibandingkan rasio magnetoresistance yang diperoleh peneliti-peneliti lain. Rasio magnetoresistance pada penelitian ini 2 kali hingga 10 kali lebih besar dibandingkan dengan penelitian sebelumnya.

## DAFTAR ACUAN
[1]. M.N. BAIBICH, J.M. BROTO,A. FERT, F. NGUYEN VANDAU,F. ,PETROFF,P.EITENNE, G.CREUZET, A. FREIDERICH and J. CHAZELAS, Phys. Rev. Lett. , 61 (1988) 2472
[2]. G.H. JONKER and J.H. VAN SANTEN, Physica ,
16 (1950) 337
[3]. GROSS, R., ALFF, L., BUCHNER, B., FREITAG, B.H., HOFENER, C., KLEIN, J., LU, Y., MADER, W., PHILIPP, J.B., RAO, M.S.R., REUTLER, P.,
RITTER, S., THIENHAUS, S., UHLENBRUCK, S., and WIEDENHORST, B., Journal of Magnetism and Magnetic Materials , 211 (2000) 150-159
[4]. DAMAY, F., MATIN, C., MAIGNAN, A. and RAVEAU, B., J. Appl. Phys. , 82 (12) (1997)
[5]. WISNUARIADI, ENGKIR SUKIRMAN, DIDIN S. WINATAPURA dan GRACE TJ. SULUNGBUDI,
Majalah BATAN , . XXXIV (1/2) (2001) 15-30
[6]. IZUMI, F., Rietan Manual , (1994) private communication
[7]. HUANG, Q., SANTORO,A., LYNN, J.W., ERWIN, R.W., BORCHERS, J.A., PENG, J.L. and GREENE, R.L., Physical Review B , 55 (22) (1997)
[8]. FUJJI, H., et.all., Solid State Commun. , 53 (8)
(1985) 715-717