## Studi Resonansi Feromagnetik BaFe12O19 Menggunakan Simulasi Mikromagnetik

## (Study of Ferromagnetic Resonance BaFe12O19 Using Micromagnetic Simulation)
Angga Wicaksono, Lutfi Rohman, Edy Supriyanto Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Jember (UNEJ) Jln. Kalimantan 37, Jember 68121
E-mail : anggawicaksono9@gmail.com

## Abstrak
Barium Hexaferit (BaFe12O19) adalah magnet keramik golongan ferit. Ferit diaplikasikan sebagai magnet permanen dan mempunyai struktur hexagonal close-pakced (HCP). Kurva histerisis magnet permanen jenis ini memiliki koersivitas yang relatif tidak besar sehingga senyawa tersebut juga berpeluang cukup baik untuk diaplikasikan sebagai media penyimpanan data   ( magnetic   recording )  berupa  patterned   media.  Penelitian   ini   mengkaji   sifat-sifat   magnetik   bahan  BaM  berbentuk hexagonal terhadap kurva histerisis dan sifat resonansi feromagnetik pada berbagai variasi ukuran (meliputi : ketebalan dan diagonal hexagonal ). Running simulasi   mikromagnetik   dilakukan   untuk   mendapatkan   kurva   histerisis   dan   frekuensi resonansi  bahan BaM.  Frekuensi  resonansi  meningkat  (heksagonal  diagonal  tetap pada  12 nm) dengan   bertambahnya ketebalan bahan BaM (misal pada ketebalan 24 nm diperoleh frekuensi resonansi sebesar 21,7 GHz dan pada ketebalan 36 nm diperoleh frekuensi resonansi sebesar 22,4 GHz), hal ini dikarenakan dengan bertambahnya ukuran ketebalan bahan BaM   posisi   spin   terlihat   sangat   teratur.  Sedangkan  hubungan   frekuensi   resonansi   dengan   diagonal hexagonal yaitu kebalikannya.
Kata Kunci: BaFe12O19, Simulasi mikromagnetik, Frekuensi resonansi

## Abstract
Barium Hexaferrite (BaFe12O19) is a class of ceramic ferrite magnet. Ferrite was applied as a permanent magnet and it has hexagonal close-pakced  structure (HCP). Hysterisis curve of this type of permanent magnet   has a relatively large coercivity, so it was applied as a data storage medium (magnetic recording) in the patterned media form. This research studied the magnetic property of BaM material shaped hexagonal of the hysteresis curve and resonance ferromagnetic properties in a variety of sizes (including: the thickness and hexagonal diagonal). The Micromagnetic simulations has run to get hysteresis curve and   resonance frequency of BaM material. The resonance frequency is increased   (the hexagonal diagonal fixed at 12 nm) by the increasing of thickness of  BaM  material (ex; the  thickness of 24 nm is obtained resonance frequency of 21.7 GHz and the thickness of 36 nm is obtained resonance frequency of 22.4 GHz), the spin position of  BaM material, due it   looks very organized. While the relationship of resonance frequency with hexagonal   diagonal to be opposite .
Keywords: BaFe12O19, Micromagnetic simulation, Resonance frequency

## PENDAHULUAN
Penelitian tentang magnet telah banyak dilakukan untuk mengetahui   karakteristik   sifat   magnet.  Salah   satunya contohnya   adalah   magnet   keramik   bersifat   magnetik mencangkup golongan ferit.  Ferit dikenal dengan magnet keramik   yang   biasanya   diaplikasikan   sebagai   magnet permanen   yang   mempunyai   struktur   hexagonal   close- pakced  (HCP). Salah satu contoh bahan magnet  keramik golongan   Ferit   adalah   Barium   Hexaferit (BaFe12O19) . Barium Hexaferit dikelompokan menjadi 5 tipe yaitu tipe- M   (BaFe12O19),   tipe-W   (BaMe2Fe16O27),   tipe-X (Ba2Me2Fe28O46), tipe-Y (Ba2Me2Fe12O22) dan tipe-Z (Ba2Me2Fe24O41).   Tipe-M   biasanya   dikenal   dengan barium hexaferrite yang biasa disebut BaM [2].
Karakteristik suatu material feromagnetik dapat dilihat dari besar medan koersivitas (Hc) kurva histerisisnya. Besar koersivitas menentukan magnet tergolong pada jenis soft- magnetic atau hard-magnetic . Untuk bahan yang memiliki koersivitas   yang   besar   (Hc>   1   kA/m)   disebut hard-
magnetic ,   sedangkan   untuk   bahan   yang   memiliki koersivitas kecil (Hc< 1 kA/m) disebut soft-magnetic . Besar nilai koersivitas dapat diketahui dari kurva histerisis, yang memiliki satuan ampere-turn/meter [1].
Resonansi   Feromagnetik   adalah   teknik   utama   untuk meneliti   dinamika   magnetisasi   dari   struktur   magnetik. Kinerja  divais berbasis magnetik dipengaruhi  pembalikan magnetisasi   dan   FMR   ( ferromagnetic   resonance )   dapat meningkatkan   kecepatan   pembacaan   dan   penulisan   data pada  divais. Penelitian mengenai  pembalikan magnetisasi dan   FMR   dipublikasikan   secara   ekperimen   maupun simulasi   dengan   memberikan   medan   magnet   luar   atau sinyal   pulsa   [3].   Resonansi   feromagnetik   terjadi   karena bahan   magnetik   berosilasi   saat   diberikan   medan   yang berosilasi   secara   periodik.   Unjuk   kerja  resonansi feromagnetik ini banyak diterapkan untuk sensor magnetik dan penyerap gelombang elektromagnetik [6].
Penelitian   ini   menggunakan   bahan   Barium   Hexaferit (BaFe12O19) dikenal dengan golongan Ferit tipe-M (BaM), merupakan   oksida   keramik   yang   paling   banyak
dimanfaatkan   secara   komersial.  Kurva   histerisis  magnet permanen jenis ini memiliki koersivitas yang relatif tidak besar   sehingga   senyawa   tersebut   juga   berpeluang   cukup baik untuk diaplikasikan sebagai media penyimpanan data berupa patterned media [4].

## METODE PENELITIAN
Penelitian   ini   dilakukan   sesuai   dengan   diagram   alir sebagai berikut.
Gambar   1.   Bagan   tahap-tahap   penelitian   mendapatkan kurva histerisis dan frekuensi resonansi bahan BaM
Parameter   bahan   lapisan   tipis   BaM   untuk   simulasi mikromagnetik terdiri dari: magnetisasi saturasi , konstanta exchange ,   dan   konstanta   anisotropi.   Ukuran   sel   yang digunakan pada simulasi ini berdasarkan ukuran  exchange length  dari bahan ini yaitu dengan faktor redaman sebesar 0,1.   Bahan   BaM   dalam   simulasi   ini   menggunakan   dua parameter   yaitu   ketebalan   dan   diagonal  hexagonal  untuk mencari kurva histerisis dan frekuensi resonansi. Pertama penelitian dilakukan untuk mencari kurva histerisis, besar ketebalan ditentukan sebesar 150 nm, 300 nm, 450 nm, 600 nm   dan   750   nm   sedangkan   besar   diagonal  hexagonal ditentukan   sebesar   50   nm   dan   100   nm.   Bahan   BaM memiliki   geometri   berbentuk  hexagonal  dengan   berbagai variasi   ketebalan   dengan   diberi   medan   eksternal quasi- static yang   diberikan   ke   arah hard-axis dari   -2000   mT sampai   2000   mT   dengan   kenaikan   ( increment )   10   mT ukuran sel sebesar ( 5 x 5 x 10 ) nano meter kubik. Kedua penelitian   dilakukan   untuk   mencari   frekuensi   resonansi, besar ketebalan ditentukan sebesar 24 nm, 36 nm, 48 nm, 60 nm, 72 nm, 84 nm, 96 nm, 120 nm, 156 nm, 180 nm dan besar   diagonal hexagonal digunakan   adalah12   nm   untuk variasi   ketebalan.   Sedangkan   untuk   variasi   diagonal hexagonal , besar diagonal hexagonal ditentukan sebesar 12 nm, 24 nm, 48 nm, 96 nm dan besar ketebalan adalah 12 nm.  Bahan   yang   digunakan   kali   ini   adalah hard-magnet berupa BaFe12O19 (Barium Hexaferrite). Parameter yang digunakan   dalam   memberikan   karakteristik   bahan   antara
lain, magnetisasi saturasi (Ms) sebesar 275 kA/m, konstanta exchange (A) sebesar  2x10e-11   J/m, konstanta anisotropi (K) sebesar  9,6x10e4 J/meter kubik , dan exchange length (Iexc) sebesar 20,52 nm.

## HASIL PENELITIAN

## Resonansi Feromagnetik ( FMR )
FMR   adalah   teknik   utama   untuk   meneliti   dinamika magnetisasi   dari   struktur   magnetik.   Frekuensi   resonansi bahan   feromagnetik   dapat   diukur   secara   eksperimen menggunakan   alat   FMR.   Kinerja   FMR   dipengaruhi   oleh proses   pembalikan   magnetisasi.   Resonansi   Feromagnetik dalam nanoelemen telah banyak dipublikasikan baik secara eksperimen   maupun   secara   simulasi   dengan   memberikan medan   magnet   luar   atau   sinyal   pulsa.   Hasil   penelitian Resonansi   Feromagnetik   diperoleh   frekuensi   resonansi dalam rentang GHz menggunakan simulasi mikromagnetik [3]. Pada tabel 1 memperlihatkan besarnya frekuensi FMR berdasarkan   penelitian   hasil   simulasi dan   berdasarkan perhitungan   Kittel   sebagai   acuan   dalam   menentukan frekuensi   FMR   berbagai   ketebalan   bahan   BaM   pada diagonal hexagonal 12 nm.
Berdasarkan perhitungan Kittel  dimana semakin besar ketebalan   bahan   maka   frekuensi   FMR   yang   diperoleh semakin besar sehingga besar ketebalan sebanding dengan Frekuensi  FMR.  Pada  gambar  nampak  saat  rasio  2  pada hasil simulasi didapatkan frekuensi resonansi sebesar 21,7 GHz sedangkan berdasarkan perhitunggan Kittel diperoleh sebesar 21,9 GHz. Hasil selengkapnya diperlihatkan dalam Tabel 1.
Tabel   1.   Besar   Frekuensi   FMR   dari   berbagai   ketebalan pada diagonal hexagonal 12 nm No Rasio (h/D) Frekuensi FMR dalam simulasi (GHz) Frekuensi FMR dalam perhitungan kittel ( GHz ) 1 2 21,7 21,9 2 3 22,4 22,8 3 4 22,8 23,3 4 5 23,1 23,6 5 6 23,3 23,8 6 7 23,4 23,9 7 8 23,5 24 8 10 23,6 24,1 9 13 23,7 24,2 10 15 23,8 24,3
Hasil simulasi yang dipaparkan pada tabel 1 selanjutnya dibuatkan grafik hubungan frekuensi FMR dengan berbagai ketebalan  bahan BaM pada diameter 12 nm sebagaimana ditunjukkan   pada   Gambar   2.   Pada   Gambar   2   diperoleh informasi bahwa semakin besar ketebalan bahan BaM maka frekuensi   FMR   yang   diperoleh   semakin   besar,   sehingga nilai   ketebalan   sebanding   dengan   frekuensi   FMR   hal   ini dikarenakan dengan bertambahnya ukuran ketebalan bahan BaM   maka   posisi   spin   terlihat   sangat   teratur.   Penelitian sebelumnya   telah   dilakukan   juga   oleh   Dita   Oktri   (2013) dengan   memakai   bahan   BaM,   dengan   menggunakan perhitungan   Kittel   sebagai   acuannya   untuk   mencari diameter krisis dari BaM. Penelitian FMR ( Feromagnetic
Resonance ) bahan BaM yaitu untuk menemukan frekuensi resonansi   disetiap   ukuran   yang   diteliti   dengan menggunakan   simulasi   mikromagnetik   dan   persamaan Kittel sebagai acuan awalnya sebelum melakukan simulasi. Persamaan   Kittel   digunakan   sebagai   pendekatan   teorinya dalam membandingkan hasil simulasi FMR dengan teori.
Gambar   2.  Hubungan   frekuensi   FMR   dengan   berbagai ketebalan   pada   diagonal hexagonal 12   nm berdasarkan simulasi dan perhitungan Kittel
Gambar   3   memperlihatkan   hubungan   Frekuensi   FMR dengan   berbagai   diagonal hexagonal bahan   BaM   pada ketebalan 12 nm dimana memiliki arti fisis yaitu semakin besar diameter (ketebalan tetap) maka frekuensi resonansi diperoleh   semakin   kecil   karena   posisi   spin   terlihat   tidak teratur dan tidak jelas saat bertambahnya ukuran diameter bahan BaM.
Gambar   3.   Hubungan   frekuensi   FMR   dengan   diagonal hexagonal bahan BaM pada ketebalan 12 nm
Pada Tabel 2 memperlihatkan besarnya frekuensi FMR berdasarkan berbagai diameter bahan BaM pada ketebalan 12 nm. Pada rasio 1 diperoleh frekuensi resonansi sebesar 19,8   GHz.   Semakin   besarnya   diameter   bahan   BaM diperoleh frekuensi resonansi relatif menurun hal ini dapat disimpulkan   bahwa   besar   diameter   berbanding   terbalik dengan frekuensi resonansi yang diperoleh.
Tabel   2.   Besar   Frekuensi   FMR   dari   berbagai   diagonal hexagonal pada ketebalan 12 nm
No Rasio ( D/h ) Frekuensi FMR (GHz) 1 1 19,8 2 2 17,5 3 4 15,1
4 8 13,2

## KESIMPULAN
Berdasarkan   hasil   penelitian   diperoleh   kesimpulan bahwa hubungan frekuensi FMR dengan ketebalan yaitu semakin besar ketebalan bahan BaM (diagonal hexagonal tetap   yaitu   12   nm   )   maka   semakin   besar   frekuensi resonansinya   (misal   pada   ketebalan   24   nm   diperoleh frekuensi resonansi sebesar 21,7 GHz dan pada ketebalan 36 nm diperoleh frekuensi resonansi sebesar 22,4 GHz), hal ini   dikarenakan   dengan   bertambahnya   ukuran   ketebalan bahan BaM posisi spin terlihat sangat teratur.  Sedangkan hubungan frekuensi FMR dengan diagonal hexagonal yaitu semakin besar diagonal hexagonal (ketebalan tetap yaitu 12 nm)   maka   frekuensi   resonansi   diperoleh   semakin   kecil (misal pada diagonal hexagonal 12 nm diperoleh frekuensi resonansi sebesar 19,8 GHz dan pada diagonal hexagonal 24   nm   diperoleh   frekuensi   resonansi   sebesar   17,5   GHz) karena posisi spin terlihat tidak teratur dan tidak jelas saat bertambahnya ukuran diameter bahan BaM.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Carter, C. Barry, dan M. G. Norton. 2007. Ceramic Materials: Science and Engineering Springer .
[2] Darminto,  M. Zainuari,  dan  E. I. Kamariyah.  2011. Sintesis   Serbuk   Barium   Hexaferrite   Dengan   metode Kopresipitasi. Seminar   Nasional   Pascasarjana   XI- ITS, Surabaya , 27 Juli 2011, Jurusan Fisika FMIPA.
[3] Liu , Z. 2007. Magnetization dynamic in the presence of   nanoscale   spatial   inhomogeneity ,   Department   of Physics, Edmonton, Fall.
[4] Nowosielski, R., R. Babilas, G. Derecz, L. Pajak, dan J. Wrona. 2007 . Structure and Porperties of Barium Ferrite Powders Prepared by Milling and Annealing . Archives of Materials Science and Engineering . Vol. 28 , Issue. 12, pp. 735 -742.
[5] Oktari, D. 2013. Studi perilaku magnetik BaFe 12 O 19 berbentuk   hexagonal   dengan   menggunakan   simulasi mikromagnetik. Skripsi . Depok: FMIPA-UI.
[6] Rohman,   L.   2013.   Investigasi   Sifat-sifat   Magnetik Bahan LSMO (La 1-x Sr x MnO 3 ) untuk Aplikasi Storage Device   dengan   Menggunakan   Modeling Mikromagnetik. Laporan   Hibah   Doktor ,   Jember: UNEJ.
BERKALA SAINSTEK 2018, VI (1): 46-48 ISSN : 2339-0069