Temperatur Curie dan Medan Koersivitas Material Co 0,8 Ni 0,2 dalam Struktur Random Alloy dan Double Layers

## Lutfi Rohman*, Suci Novitasari, dan Supriyadi
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Kampus Tegalboto, Sumbersari, Jember, 68121, Jawa Timur
* el_rahman.fmipa@unej.ac.id

## ABSTRACT
Nickel  Cobalt (CoNi)  material  is an  important alloy  because  it  has good magnetic properties i.e  high  curie  temperatures  and  coercivity.  Composition,  alloy  structure  and  size  of  the  cube side  of  the  material  affect  the  Curie  temperature  and  coercivity.  Micromagnetic  simulations were  carried  out  on  Co 0,8 Ni 0,2 material  with  random  alloy  and  double  layers  structure  to determine the Curie temperature value and  hysteresis curve analysis. simulation of Co 0,8 Ni 0,2 material was performed using Vampire software with variations  in the size of the side of the cube  used,  namely  5  nm,  8  nm,  10  nm,  12  nm,  and  15  nm.  The  simulation  results  show the value of the Curie temperature is increasing with increasing size of the side of the cube. The Curie temperature value of Co 0,8 Ni 0,2 double layers is higher than Co 0,8 Ni 0,2 random alloy. The characteristics of the hysteresis curve of Co 0,8 Ni 0,2 random alloy and double layers show that the  coercivity  value  increases  with  increasing  size  of  the  sides  of  the  cube.  But  in  Co 0,8 Ni 0,2 random alloy material with size is 12 nm and 15 nm the value of the coercivity field decreases, compared to the size of 10  nm.  Material Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy  with size 10  nm  is the  best size  based on  the value of the large coercivity field.
Keywords: Material CoNi, Micromagnetic simulation, Curie temperature, and coercivity field

## ABSTRAK
Material  Kobalt  Nikel  (CoNi)  merupakan  paduan  penting  karena  memiliki  sifat  kemagnetan yang baik diantaranya yaitu temperatur curie dan koersivitas yang tinggi. komposisi, struktur alloy  dan  ukuran  sisi  kubus  bahan  berpengaruh  terhadap  temperatur  Curie  dan  koersivitas. Simulasi mikromagnetik dilakukan pada material Co 0,8 Ni 0,2 dengan struktur random alloy dan double layers untuk menentukan nilai temperatur Curie dan analisis kurva histerisis. Simulasi material  Co 0,8 Ni 0,2 dilakukan  menggunakan  software  Vampire  dengan  variasi  ukuran  sisi kubus  yang  digunakan  yaitu  5  nm,  8  nm,  10  nm,  12  nm,  dan  15  nm.  Hasil  simulasi menunjukkan  nilai  temperatur  Curie  semakin  meningkat  dengan  bertambahnya  ukuran  sisi kubus. Pada material Co 0,8 Ni 0,2 double layers diperoleh nilai temperatur Curie lebih tinggi dari pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy .  Karakteristik  kurva  histerisis  pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double  layers menunjukkan  bahwa  nilai  koersivitas  meningkat  seiring bertambahnya ukuran sisi kubus. Namun pada  material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy ketika ukuran bahan  yang  diberikan  12  nm  dan  15  nm  nilai  medan  koersivitasnya  semakin  menurun, dibandingkan  saat  ukuran  10  nm.  Pada  ukuran  sisi  kubus  10  nm  dikatakan  sebagai  ukuran terbaik dari material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy ditinjau dari nilai medan koersivitas yang besar.
Kata kunci: material CoNi, simulasi mikromagnetik, ukuran sisi kubus, temperatur Curie, dan medan koersivitas.

## PENDAHULUAN
Hard Disk Drive (HDD) adalah sebuah komponen perangkat keras penyimpan data  yang berisi piringan magnetis [1] . Salah satu bahan magnetik yang banyak dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan HDD adalah bahan feromagnetik. Bahan feromagnetik merupakan bahan  yang  mempunyai  nilai  suseptibilitas  magnetik  yang  sangat  tinggi.  Bahan  Fe,  Co, dan Ni merupakan bahan feromagnetik [2] . Kobalt Nikel (CoNi) dianggap sebagai paduan penting  karena  memiliki  sifat  kemagnetan  yang  baik.  Bahan  feromagnetik  kobalt  (Co) mempunyai struktur  yang kuat dengan nilai magnetik anisotropi yang besar (6,69  x 10 -24 J/atom),  nilai  temperatur  Curie  yang  tinggi  (1388  K)  serta  koersivitas  yang  tinggi  (pada diameter  bahan  550  nm  sebesar  512  Oe) [3] .  Sedangkan  pada  bahan  feromagnetik  Nikel (Ni) memiliki struktur kuat, koersivitas tinggi (pada diameter bahan 750 nm sebesar 426 Oe), tahan korosi, dan jika dipadukan dengan logam lainnya akan memiliki nilai anisotropi tinggi [4] .
Temperatur  Curie  merupakan  nilai  temperatur  ketika  suatu  bahan  feromagnetik  akan mengalami  perubahan  menjadi  bahan  paramagnetik [5] .  Bahan  feromagnetik  jika dipanaskan  di  atas  temperatur  Curie,  spinnya  akan  berorientasi  secara  acak,  membawa material  ini  ke  fase  paramagnetik.  Bahan  feromagnetik  akan  kehilangan  sifat  magnetik apabila berada di atas suhu Curie [6] .
Simulasi  sifat  magnetik  material  CoNi  model nanocube dengan  mengamati  nilai temperatur  Curie  ( T c )  dan  kurva  histerisis  menggunakan  variasi  komposisi  bahan  pada bentuk random  alloy dan double  layers telah  dilakukan  oleh  Arifin.  Berdasarkan  hasil simulasi tersebut, diperoleh nilai temperatur Curie terbaik yaitu pada komposisi Co 0,8 Ni 0,2 random alloy dan double layers , dengan ukuran bahan yang digunakan yaitu 5 nm [7] . Pada penelitian yang dilakukan secara eksperimen, untuk bahan paduan CoNi diperoleh ukuran kritis  (10  –  12)  nm [8] .  Berdasarkan  penelitian  ekeperimen  tersebut,  Aiga  melakukan simulasi  material  paduan  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dengan  variasi  ukuran  bahan  5  nm,  10 nm, 15 nm, dan 20 nm. Temperatur Curie tertinggi diperoleh pada ukuran bahan 10 nm [9] . Berdasarkan  hasil  penelitian-penelitian  tersebut  diketahui  bahwa  ukuran  bahan berpengaruh terhadap sifat kemagnetan bahan. Oleh karena itu, simulasi dilakukan dengan menganalisis  sifat  kemagnetan  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double  layers berdasarkan variasi ukuran sisi kubus.
Pada penelitian ini software yang digunakan adalah Vampire. Penelitian ini menggunakan material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy dan double layers . Penelitian penentuan nilai temperatur Curie  dan  pembentukan  kurva  histerisis  dilakukan  dengan  memvariasikan  ukuran  sisi kubus  yang telah ditentukan yaitu 5 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm dan 15 nm. Hasil simulasi akan  memberikan  informasi  mengenai  perbedaan  sifat  kemagnetan  seperti  temperatur Curie  dan  kurva  histerisis  yang  dihasilkan  berdasarkan  variasi  ukuran  bahan.  Aplikasi material  Co 0,8 Ni 0,2 sebagai  HDD  membutuhkan  informasi  ukuran  bahan  yang  sesuai dengan  sifat  kemagnetan  yang  baik  yaitu  memiliki  temperatur  Curie  yang  tinggi  dan mememiliki medan koersivitas yang tinggi.

## METODE
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  menentukan  nilai  temperatur  Curie  dan  analisis  kurva histerisis  dari  bahan  magnetik  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double  layers (Gambar  1). Penelitian  menggunakan  simulasi  mikromagnetik,  dengan  membuat file  script  input dan file  script bahan  (Tabel  1)  yang  diletakkan  dalam  satu  folder  dengan  software  Vampire. Vampire  merupakan  salah  satu  aplikasi  simulasi  atomistik  untuk  material  magnetik berukuran  nanometer  yang  tersedia  secara open  source .  Simulasi  penentuan  nilai
temperatur  Curie  dan  pembuatan  kurva  histerisis  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double layers dengan memvariasikan ukuran sisi kubus sebesar 5 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm dan  15  nm.  Ukuran  kubus  merujuk  pada  bahan  mikrostruktur  dengan  ukuran  ultra  kecil berupa butiran yang terisolasi secara magnetik untuk membentuk sifat mikromagnetik dan makromagnetik  yang  optimal [8] .  Kemudian  output  simulasi  yaitu  magnetisasi  disajikan dalam  bentuk  kurva  magnetisasi  terhadap  temperatur  dan  kurva  histeresis  (magnetisasi terhadap  medan  magnet  eksternal)  menggunakan  sofware  Origin.  Penentuan  nilai temperatur Curie dilakukan dengan mengamati suhu dimana magnetisasi turun mendekati nol. Sedangkan kurva histeresis digunakan untuk mengetahui nilai medan koersivitas dari material Co 0,8 Ni 0,2 . Penentuan nilai medan koersivitas ( H c ) dengan merata-rata nilai medan ekternal maksimal dan minimal saat magnetisasi bernilai nol [10] .
(a) (b)
Gambar 1. Struktur material CoNi berbentuk  (a) random alloy dan (b) double layers .
Tabel 1. Sumber data untuk simulasi mikromagnetik
Bahan J (J/Link) K (J/Atom) Co 1,72 [11] 6,064 x 10 -21 [11] 6,69 x 10 -24 [11] Ni 0,606 [11] 2,757 x 10 -21 [11] 5,47 x 10 -26 [11] CoNi 4,164 x 10 -21 [12] 8,12 x 10 -25 [13]

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada grafik antara magnetisasi terhadap temperatur (Gambar 2 (a)), nilai temperatur Curie ditentukan  di  suatu  titik  pada  saat  nilai  magnetisasi  mendekati  nilai  nol.  Magnetisasi maksimum terjadi pada temperatur 0 K, kemudian nilai magnetisasi akan menurun hingga mendekati nol pada temperatur tertentu. Pada saat magnetisasi mendekati nol, maka bahan telah  mencapai  batas  dari  sifat  bahan  feromagnetik  yang  mengalami  transisi  dari  bahan bersifat  feromagnetik  menjadi  bahan  bersifat  paramagnetik.  Batas  transisi  ini  disebut dengan  temperatur  Curie.  Hasil  simulasi  dengan  variasi  ukuran  sisi  kubus  menunjukkan bahwa  Nilai  temperatur  Curie  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double  layers akan meningkat saat ukuran sisi kubus bahan semakin besar (Tabel 2). Pada ukuran lebih dari 8 nm bentuk random alloy dan lebih dari 10 nm double layers nilai temperatur Curie sudah tidak  berubah,  diduga  sudah  mencapai  ukuran  kritis  dari  bahan  tersebut.  Perubahan  arah magnetisasi pada material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy ukuran 8 nm dan double layers ukuran 10  nm  menyebabkan  terjadinya  perubahan  orientasi  spin.  Visualisasi  perubahan  arah magnetisasi dilakukan pada titik 1, 2 dan 3 (Gambar 2 (b) dan (c)). Pada titik 1 dikatakan dengan single domain dimana spin-spin memiliki orientasi searah dengan nilai magnetisasi besar, bahan tersebut bersifat feromagnetik. Pada titik 2 yaitu transisi yang menunjukkan keadaan magnetisasi yang mendekati nol, dimana arah spinnya acak dan tidak searah lagi, ini  disebut  batas  transisi  atau  temperatur  Curie.  Pada  titik  3  yaitu  multi  domain  dengan
arah  spinnya  sudah  sangat  acak  dengan  magnetisasi  mendekati  nol,  menandakan  bahan tersebut sudah berubah menjadi bahan paramagnetik.
1 2
3 1 2 3 (a) (b) (c)
Gambar  2. (a)  Grafik  magnetisasi  terhadap  temperatur  pada  material  Co0,8Ni0,2;  (b)  perubahan  arah magnetisasi pada  material  Co0,8Ni0,2 random  alloy ukuran sisi  kubus 8  nm;  (c)   perubahan arah magnetisasi pada material Co0,8Ni0,2 double layers ukuran sisi kubus 10 nm.
Tabel 2. Nilai temperatur Curie material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy dan double layers Ukuran sisi kubus (nm) Temperatur Curie (K) Random Alloy Double Layers 5 1175 1350 8 1225 1350 10 1225 1375 12 1225 1375 15 1225 1375
Kurva  histerisis  yang  dihasilkan  melalui proses  pembuatan  grafik  perubahan magnetisasi terhadap  pengaruh  pemberian  medan  eksternal.  Analisis  kurva  histerisis  dari  material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy dan double layers menggunakan variasi ukuran kubus 5 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm, dan 15 nm. Temperatur yang digunakan pada tiap ukuran sisi kubus yakni 0 K,  328  K,  dan  473  K.  Simulasi  pada  temperatur  328  K  menunjukkan  suhu  HDD  saat komputer  hidup  dalam  kondisi  bekerja,  sedangkan  temperatur  473  K  merupakan temperatur di atas overheat dari HDD.
Analisis  karakteristik  kurva  histerisis  dilakukan  dengan  memberikan  medan  magnet eksternal sebesar -3 T sampai 3 T dengan tahapan perubahan medan magnet setiap 0,1 T (Gambar 3). Gambar 4 merupakan perubahan magnetisasi material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy dan double layers ukuran sisi kubus 10 nm pada temperatur 328 K pada 10 titik struktur domain dari kurva histerisis. Perubahan arah spin ketika proses magnetisasi pada material magnetik  dipengaruhi  oleh  medan  eksternal.  Berdasarkan  kurva  histerisis  yang  terbentuk (Gambar  3),  dilakukan  analisis  terhadap  medan  koersivitas  untuk  mengetahui  sifat kemagnetan  bahan.  Nilai  medan  koersivitas  pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double layers untuk berbagai variasi ukuran sisi kubus disajikan pada  Tabel 3. Pada saat ukuran sisi kubus 5 nm, medan koersivitas semakin mengecil seiring meningkatnya variasi temperatur  ketika  bahan  feromagnetik  diaplikasikan  pada  HDD.  Pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy saat  ukuran  sisi  kubus  8  nm,  10  nm,  12  nm,  dan  15  nm  nilai  medan koersivitas meningkat seiring meningkatnya variasi temperatur ketika bahan feromagnetik diaplikasikan pada HDD.
Tc Tc
(a) (b)
Gambar 3. Kurva histerisis dari material Co0,8Ni0,2 pada saat temperatur 328 K dengan ukuran sisi kubus 10 nm pada (a) random alloy dan (b) double layers. 1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
6 7 8 9 10 (a) (b)
Gambar 4. Contoh proses perubahan  magnetisasi  dari  material Co 0,8 Ni 0,2 pada saat temperatur 328 K untuk ukuran sisi kubus 10 nm (a) random alloy dan (b) double layers.
Tabel 3. Nilai medan koersivitas material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy dan double layers pada berbagai variasi ukuran sisi kubus dan variasi temperatur.
Ukuran sisi kubus (nm) medan koersivitas Hc (T) Random alloy Double layers 0 K 328 K 473 K 0 K 328 K 473 K 5 2,00 1,80 1,60 0,50 0,45 0,45 8 2,00 2,10 2,00 0,50 0,55 0,55 10 2,00 2,10 2,20 0,50 0,55 0,55 12 2,00 2,00 2,10 0,50 0,60 0,55 15 2,00 2,00 2,10 0,50 0,60 0,65
Material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy ketika  ukuran  bahan  yang  diberikan  12  nm  dan  15  nm nilai  medan  koersivitasnya  semakin  menurun,  dibandingkan  saat  ukuran  10  nm.  Pada ukuran sisi kubus 10 nm dikatakan sebagai ukuran terbaik dari material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy ditinjau  dari  nilai  medan  koersivitas  yang  besar.  Pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 double layers saat  ukuran  sisi  kubus  8  nm,  10  nm,  12  nm,  dan  15  nm  nilai  medan  koersivitas meningkat  seiring  meningkatnya  variasi  temperatur  ketika  bahan  feromagnetik diaplikasikan  pada  HDD.  Nilai  medan  koersivitas  juga  meningkat  seiring  bertambahnya ukuran  sisi  kubus.  Berdasarkan  analisis  sifat  magnetiknya  material  Co 0,8 Ni 0,2 bentuk random  alloy lebih  baik  daripada double  layers .  Hal  ini  ditinjau  pada  medan  koersivitas yang diperoleh pada bentuk random alloy lebih besar daripada double layers . Pada Tabel 3,  saat  ukuran  5  nm  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double  layers rentan  terhadap efek  superparamagnetik  yang  ditandai  dengan  nilai  medan  koersivitas  yang  semakin mengecil  seiring  bertambahnya  temperatur.  Pada  saat  ukuran  diatas  5  nm  material Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy dan double  layers nilai  medan  koersivitas  yang  semakin  besar seiring  bertambahnya  temperatur.  Hal  ini  menandakan  bahwa  bahan  memiliki  sifat kemagnetan yang kuat.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi,  variasi  ukuran  sisi  kubus  berpengaruh  terhadap  nilai temperatur  Curie  dan  medan  koersivitas  material  Co 0,8 Ni 0,2 .  Material  Co 0,8 Ni 0,2 random alloy sudah mencapai nilai temperatur tertinggi pada ukuran sisi kubus 8 nm yaitu 1225 K. Sedangkan Co 0,8 Ni 0,2 double layers pada ukuran sisi kubus 10 nm nilai temperatur Curie sudah mencapai nilai temperatur tertinggi  yaitu 1375 K. Pada material Co 0,8 Ni 0,2 random alloy memiliki nilai medan koersivitas yang lebih tinggi dari pada bahan Co 0,8 Ni 0,2 double layers .  Pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 random  alloy nilai  medan  koersivitas  tertinggi  pada  saat ukuran  sisi  kubus  10  nm.  Sedangkan,  pada  material  Co 0,8 Ni 0,2 double layers nilai  medan koersivitas tertinggi pada saat ukuran sisi kubus 15 nm.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Siburian, A. H., Andrian, H. R., & Rizal, M. F. 2018. Implementasi GPU Processing System untuk Dechipering Kode Terenkripsi . e-Proceeding of Applied Science, Vol. 4, No. 1, Hal. 141-176.
2 Yunanto  &  Atmono,  T.  M.  2015. Preparasi  dan  Pengamatan  Sifat  Kurva  Histerisis Lapisan  Tipis  FeCoNi  untuk  Aplikasi  Desain  Elektromagnet .  Pusat  Sains  dan Teknologi Akselerator ‐ BATAN. 103-108, ISSN 0216 – 3128.
3 Ballela,  M.  D.  L.  2008.  Synthesis  and  Caracterization  of  Cobalt  Nanoparticles Prepared by Liquid-Phase Reduction. Thesis . Universiti Sains Malaysia.
4 Davis,  J.  R.  2000. Nickel,  Cobalt,  and  Their  Alloy .  Chagrin  Falls  Ohio:  ASM International.
5 Nursiyanto,  W.,  Rohman,  L.,  &  Eko,  A.  2017.  Analisis  Diameter  Kritis  dan  Suhu Curie  Bahan  Parmalloy  FeCoB  Berbentuk  Bola-Nano  serta  Pengaruh  Temperatur (Heat Assisted) dengan Menggunakan Program Simulasi Mikromagnetik NMAG dan Vampire. Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya , Vol. 2, No. 3.
6 Rohman,  L., Supriyanto, E., Sa’diyah,  K., & Djuhana, D. 2018. Curie Temperatures and  Critical  Exponent  Properties  Of  FePd  Ferromagnetic  Materials  by  Data Simulations Approach. IOP Publishing: Journal of Physics.
7 Arifin,  S.  2016.  Studi  Sifat-Sifat  Magnetik  Material  Ferromagnetik  Co (1-X) Ni (X) Random  Alloy  dan  Double  Layer  dalam  Berbagai  Komposisi  Bahan  Co  dan  Ni. Skripsi . Universitas Negeri Jember.
8 Weller, D., & Doerner, M. E. 2000. Extremely  High-Density  Longitudinal Magnetic Recording Media: Annual Review of Material Science , Vol. 30, Hal. 611-644.
9 Aiga, N. 2018. Simulasi Mikromagnetik Sifat-Sifat Material Co 0,8 Ni 0,2 Random Alloy Berbagai Variasi Ukuran Partikel. Skripsi . Universitas Negeri Jember.
10 Bedoya-hecapie, C. M., Ortis-alvarez, H. H., Restrepo-Parra, E., Olaya-florez, J. J., & Alvonso, J. E. 2015. Hysterisis Loop Behaviors of Ferroelectric Thin Films: A Monte Carlo Simulation Study. Chinese Physics B , Vol. 24, No. 11.
11 Evans,  R.  F.  L.,  &  Biternas,  A.  2014. Vampire  User  Manual:  Software  Version  4.0 . New York: The University of New York.
12 Broeder,  F.  J.  A.  1992.  Co/Ni  Multilayer  with  Perpendicular  Magnetic  Anisotropy: Kerr  Effect  and  Thermomagnetic  Writing. Appl.  Physic  Lett ,  Vol.  61,  No.  12,  Hal. 1468-1470.
13 Vivas, L. G., Varquez, M., Escrig, J., Allande, S., Altbir, D., Leitao, D. C., & Araujo, J. P. 2012. Magnetic Anisotropy in CoNi Nanowaire Arrays: Analytical Calculations and Experiments. PHYSIC Review , Vol. 85, No. 3, Hal. 3-15.