Konfigurasi Fasa Kobal (Co) dan Sifat Magnetoresistance pada Paduan Granular Co-C Pasca Milling Energi Tinggi (S. Purwanto )

## KONFIGURASI FASA KOBALT (Co) DAN KARAKTERISTIK
MAGNETORESISTANCE PADA PADUAN GRANULAR Co-C

## PASCA MILLING ENERGI TINGGI

## S. Purwanto dan E. Sukirman
Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju (PSTBM) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15413, Tangerang Selatan
E-mail: setyo_p@batan.go.id Diterima: 13 September 2016 Diperbaiki: 13 Desember 2016 Disetujui: 23 Desember 2016

## ABSTRAK
KONFIGURASI FASA KOBALT (Co) DAN KARAKTERISASI MAGNETORESISTANCE PADA PADUAN GRANULAR Co-C PASCA MILLING ENERGI TINGGI. Paduan granular Co-C dengan komposisi Co:C adalah 36: 64 telah dibuat dengan teknik milling energi tinggi selama masing-masing 4,5;12 dan 20 jam. Kemudian sampel dikarakterisasi dengan teknik X-Ray Diffractometer ( XRD ) yang menggunakan sumber CuK  . Selanjutnya sampel tersebut juga diukur sifat kurva histeresisnya dengan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Sifat nisbah magnetoresistance ( MR ) diukur dengan teknik Four Point Probe (FPP). Analisis profil XRD menunjukkan bahwa pada sampel pasca milling 4,5 dan 12 jam terdapat fasa a-Carbon, Co-HCP dan C-FCC. Adapun pada kurva magnetoresistance sampel-sampel tersebut menunjukkan kecenderungan positif. Sebaliknya pada sampel Co-C pasca milling 20jam diketahui adanya fasa baru yaitu Co 3 O 4 , selain fasa C, Co-HCP, Co-FCC dengan kecenderungan kurva MR berubah menjadi negatif.
Kata kunc i: Konfigurasi fasa Co, Magnetoresistance, Paduan granular, Milling Energy Tinggi

## ABSTRACT
CONFIGURATION OF Co PHASE AND MAGNETORESISTANCE PROPERTIES IN HIGH ENERGY MILLED Co-C GRANULAR COMPOUNDS. The Co-C granular compounds which composition of Co: C was 36:34 prepared using high energy milling (HEM) process for 4.5, 12 and 20 h. The samples were characterized using X-Ray Diffraction with CuK  radiation. Subsequently, the magnetic hysteresis loop of the samples was measured by a Vibrating Sample Magnetometer (VSM). The magnetoresistance (MR) was measured by standar Four Point Probe (FPP). The of XRD analyses show that a-Carbon, Co-HCP and C-FCC phases existed for the samples of 4.5 and 12 hours milling. Furthermore, the magnoresistance curves show positive trend for the sampples. On the other hand, Co 3 O 4 phase beside of C, Co-HCP, Co-FCC phases existed with negative trend for magnoresistance curve for the samples of 20 hours milling.
Keywords : Co phase configuration, Magnetoresistance, Granular compound, High Energy Milling

## PENDAHULUAN
Penelitian dan pengembangan paduan bahan berbasis granular Kobalt (Co) seperti Co-A l [1], Co-Cu [2] telah banyak dilakukan, termasuk Co-C 60 [3]. Hal ini karena sistem paduan tersebut memiliki sifat Giant Magnetoresistance (GMR). Fenomena GMR dapat dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi seperti untuk sensor magnetik, pembaca data kerapatan tinggi dan penyimpan data magnetik [4] termasuk untuk aplikasi biomedis [5]. Fenomena magnetoresistance pada paduan
granular dapat terjadi pada saat partikel atau granular magnetik pada skala nano diselimuti oleh bahan non magnetik.
Co secara alamiah memiliki struktur alotropi, yakni fasa Hexagonal Closed Packed (HCP) pada suhu ruang dan fasa Face Centered Cubic (FCC) pada suhu T 695 K. Namun demikian fasa Co-FCC dapat juga diketemukan pada suhu ruang ketika Co memiliki ukuran kristalit yang sangat halus. Fasa Co-HCP berubah menjadi Co-FCC
Jurnal Sains Materi Indonesia Vol. 18, No. 2, Januari 2017, hal. 87-91
dengan proses penggerusan menggunakan Milling energi tinggi [6,7]. Pada studi ini sifat magnetoresistance pada paduan komposit Co-C granular yang dibuat dengan komposisi Co:C adalah 36:64. Hipotesis yang digunakan adalah ketika fraksi Co-FCC di dalam paduan granular Co-C bertambah maka akan terjadi perubahan sifat nisbah magnetoresistance dari paduan. Tujuan penelitian ini adalah untuk memastikan peranan konfigurasi fasa-fasa kobalt yang muncul dalam proses milling yang dikaitkan dengan evolusi sifat magnetoresistance paduan granular Co-C.

## METODE PERCOBAAN
Preparasi diawali dengan menimbang berat bahan kobalt (Co) dan karbon (C) sesuai dengan komposisi paduan Co : C adalah 36:64. Paduan granular magnetik Co-C ini selanjutnya disintesis dengan teknik High Energy Milling (HEM). Total berat sampel yang dimilling adalah 20 gram. Pada percobaan ini (lima) bola SS dengan berat masing-masing bola sekitar 7-8 gram. Sehingga perbandingan berat bola SS dibanding berat cuplikan menjadi 1 . 8:1. Lamanya waktu milling adalah 4,5;12, dan 20 jam sehingga jumlah sampel menjadi 3 jenis cuplikan. Kurva histeresis dari cuplikan diukur dengan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Sifat magnetoresistance (MR) diukur dengan teknik Four Point Probe (FPP) dimana rasio MR didefinisikan sebagai DR/R 0 = (R H – R 0 )/R 0 .
Analisis fasa pada ketiga jenis cuplikan dilakukan pada profil difraksi sina-X dengan metode Le Bail menggunakan software FullProf.. Eksperimen difraksi sinar-X dilakukan dengan Philips X-Ray Diffractometer, jenis PW170. Data intensitas sinar-X dari setiap poin dilakukan pada suhu ruang dengan sumber radiasi CuK a untuk sudut 2q dari 35° hingga 55° dengan step size 0.020°. Semua eksperimen tersebut di atas dilakukan di Laboratorium Bidang Sains Bahan Maju - BATAN.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Pola Difraksi Sinar-X
Analisis keberadaan fasa pada pola difraksi ketiga jenis cuplikan yang diukur dengan teknik difraksi sinar-X dilakukan dengan menggunakan metode Le Bail. Parameter pencocokan untuk pola difraksi yang diperoleh disajikan pada Tabel 1-4. Fasa-fasa yang dianalisis adalah fasa unsur karbon (C) , fasa Co-HCP, fasa Co-FCC dan fasa Co 3 O 4 . Hasil pencocokkan ditabulasi pada Tabel 5. Namun demikian fasa Co 3 O 4 yang merupakan fasa yang bersifat antiferomagnetik [8] tidak dapat disimulasi dengan baik. Perlu dilakukan pengukuran XRD dengan sumber Co atau pengukuran dengan teknik difraksi neutron karena berkas neutron dapat berinteraksi dengan momen magnet kobalt (Co).
Atom Faktor okupansi Fraksi koordinat atom g j x j y j z j Co (1) 1,0 0, 125 0, 125 0, 125 Co (2) 1,0 0,5 0,5 0,5 O 1,0 0,263 0,263 0,263 Tabel 4 . Fraksi koordinat atom ( xj, yj, zj ) dan faktor okupansi ( gj ) untuk fasa Co 3 O 4 . Parameter kisi: a = b = c = 8,0968 Å,  =  = 90 o 
Tabel 3 . Fraksi koordinat atom ( xj, yj, zj ) dan faktor okupansi ( gj ) untuk fasa fcc-Co. Parameter kisi: a = b = c = 3,548 Å,  =  = 90 o  Atom Faktor okupansi Fraksi koordinat atom g j x j y j z j Co 0,0208 0,0 0,0 0,0
Atom Faktor okupansi
Fraksi koordinat atom
g j x j y j z j C (1) 0,1667 0,0 0,0 0,0 C (2) 0,1667 0,3333 0,6667 0,005 Tabel 1 . Fraksi koordinat atom ( xj, yj, zj ) dan faktor okupansi ( gj ) untuk fasa C. Parameter kisi: a = b = 2,47 Å, c = 6,79 Å,  =  90 o    Atom
Faktor okupansi
Fraksi koordinat atom g j x j y j z j Co 0,0833 0,3333 0,6667 0,25 Tabel 2 . Fraksi koordinat atom ( xj, yj, zj ) dan faktor okupansi ( gj ) untuk fasa hcp-Co. Parameter kisi : Parameter kisi: a = b = 2,5071 Å, c = 4,0686 Å,  =  90 o    
Gambar 1 . Pola difraksi hasil analisis dengan mencocokan fasa C, Co-HCP, Co-FCC berturut-turut posisi puncak- puncaknya ditunjukkan dengan garis-garis pendek vertikal di bawah gambar profil pola difraksi.
Konfigurasi Fasa Kobal (Co) dan Sifat Magnetoresistance pada Paduan Granular Co-C Pasca Milling Energi Tinggi (S. Purwanto )

## Kurva Histerisis M-H
Sifat magnet suatu bahan dapat diketahui dari kurva histeresis M-H. Dari Gambar 4 dapat diketahui bahwa proses milling menyebabkan perubahan sifat
magnet bahan dikarenakan perubahan fraksi fasa bahan yang dikandungnya.
Diketahui dari penelitian sebelumnya bahwa bahan Co bubuk murni sebelum dimilling memiliki nilai magnetisasi jenuh sekitar 120 emu/gram . Magnetisasi jenuh, Ms pada paduan Co 36 C 64 setelah proses milling 4,5 jam, 12 jam dan 20 jam masing-masing 99,4 emu/gram, 94,2 emu/gram dan 70,6 emu/gram. Lamanya proses milling dari 4,5 jam menuju 12 jam hanya dapat mengubah fasa Co-HCP menjadi Co-FCC kurang dari satu persen. Fasa Co 3 O 4 muncul setelah paduan dimilling selama 20 jam. Keberadaan fasa Co 3 O 4 yang bersifat antiferomagnetik ternyata mengurangi nilai magnetisasi jenuh, Ms namun nilai koersivitas magnet tidak berubah.

## Magnetisasi Kurva Magnetoresistance R-H
Pengukuran nilai nisbah magnetoresistance diukur pada cuplikan pelet hasil cold pressing dengan metode Four point probe (FPP). Fenomena positif magnetoresistance (PMR) teramati pada cuplikan granular Co-C pasca milling 4,5 jam dengan nilai nisbah MR sebesar +38% pada medan magnet Ha=0,8 kOe seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Nilai nisbah ini relatif lebih tinggi dibandingkan dengan Co-C film tipis sepeti dilaporkan oleh Hsu et a l [9], bahkan terhadap Co-ZnO nano film[10-11]. Karakter kurva yang berfluktuasi disebabkan oleh permukaan cuplikan yang masih kasar. Namun kecenderungan pengkuran menunjukkan nilai nisbah MR bersifat positif. Namun demikian nilai MR untuk cuplikan Co-C pasca milling 12 jam menurun menjadi hanya +0.4% seiring adanya perubahan fasa Co-HCP menjadi Co-FCC, seperti diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 7 memperlihatkan kecenderungan nilai nisbah magnetoresitance berubah menjadi Negatif MR (NMR) untuk cuplikan Co-C pasca milling 20jam sebesar
Gambar 2 . Pola difraksi hasil analisis dengan mencocokan fasa C, Co-HCP, Co-FCC berturut-turut posisi puncak- puncaknya ditunjukkan dengan garis-garis pendek vertikal di bawah gambar profil pola difraksi.
Gambar 3 . Pola difraksi hasil analisis dengan mencocokan fasa C, Co-HCP, Co-FCC dan Co 3 O 4 berturut-turut posisi puncak-puncaknya ditunjukkan dengan garis-garis pendek vertikal di bawah gambar profil pola difraksi.
Waktu milling (jam) Fraksi volume Co-HCP (%) Fraksi volume Co-FCC (%) Fraksi volume Co 3 O 4 (%) Fraksi volume Karbon (C) (%) 4,5 22.21 43.98 Tidak dapat diamati 33.61 12,0 22.15 44.66 Tidak dapat diamati 33.87 20,0 22.20 45.56 Tidak dapat dihitung 33.92 Tabel 5 . Konfigurasi fasa pada paduan Co-C pasca milling
Gambar 4 . Kurva hysteresis M-H cuplikan Co-C pasca milling 4,5jam (garis biru), 12 jam (hijau) dan 20 jam (garis merah).
-8.0%. Evolusi nilai nisbah dari PMR menjadi NMR ini diduga akibat kontribusi fasa antiferomagnetik Co 3 O 4 , mengingat konfigurasi fasa Co-HCP dan Co-FCC hanya berubah sedikit dari 22,21% : 43,98% volume menjadi 22,20% : 45,56% volume. Fenomena evolusi magnetoresistance pada sistem ini muncul akibat konfigurasi fasa Co di dalam matrik Carbon juga teramati pada granular film Co/C seperti dilaporkan oleh Fan et al [12-13]. Eksistensi fasa Co 3 O 4 juga dikonfirmasi dengan
Gambar 5 . Kurva Magnetoresistance untuk cuplikan Co-C pasca milling 4.5 jam. Nisbah MR sekitar +38%.
Gambar 6 . Kurva Magnetoresistance untuk cuplikan Co-C pasca milling 12 jam. Nisbah MR sekitar +0.4%.
Gambar 7 . Kurva Magnetoresistance untuk cuplikan Co-C pasca milling 20 jam. Nisbah MR sekitar -8%.
teknik Raman spektroskopi[14]. Keberadaan konfigurasi oktahedral site Co 3+ [A 1g ] merepresentasikan fasa Co 3 O 4 yang semakin dominan terhadap konfigurasi tetrahedral site Co 2+ [F 2g (1)] untuk cuplikan pasca milling 20 jam.

## KESIMPULAN
Konfigurasi fasa fasa di dalam sistem CoC pasca milling 4,5 jam - 20 jam berpengaruh terhadap sifat magnetik khususnya terhadap evolusi magnetoresitance dari Positif Magnetoresistance (PMR) menjadi Negatif Magnetoresistance(NMR). Keberadaan fasa Co 3 O 4 selain perubahan fasa Co-HCP ke Co-FCC diketahui berperan besar terhadap evolusi kompetisi sifat GMR pada sistem ini. Studi lebih lanjut dengan Teknik hamburan neutron resolusi tinggi (HRPD) layak untuk dilakukan untuk menganalisa keberadaan fasa Co 3 O 4 secara lebih akurat.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian ini merupakan bahagian dari PKPP 2012 yang didanai oleh KNRT Ristek. Penulis utama mengucapkan terimakasih kepada PU PKPP 2012 Sdr Drs Yunasfi M.Eng atas kesempatan yang diberikan. Para penulis mengucapkan terimakasih kepada Sdr Drs. Bambang Sugeng,MT untuk pengukuran pola difraksi dengan teknik XRD, Sdri Dra. Mujamilah, M.Sc untuk pengukuran dengan VSM dan Sdr Dr. Wisnu A.A untuk pengukuran magnetoresistance .

## DAFTAR ACUAN
[1]. S. Mulyaningsih, S. Purwanto, W. A Adi, dan Mujamilah. “Pengaruh Milling Terhadap Struktur, Fasa dan Sifat Magnetik Sistem Komposit Co-Al.” Jurnal Sains Materi Indonesia Edisi Khusus, pp. 290-294, 2006.
[2]. J. Bran, M. Jean, R. Lardé, and J. M. Le Breton. “Atomic Scale Characterization And Magneto- Transport Properties Of Mechanically Milled Cu-Co Type Alloys.” The Journal of Physical Chemistry C, vol. 116, no. 42, pp. 22552-22560, 2012.
[3]. S. Sakai, K. Yakushiji, S. Mitani, I. Sugai, K. Takanashi, H. Naramoto, P. V. Avramov, V. Lavrentiev, K. Narumi, and Y. Maeda. “Magnetic and Magnetotransport Properties in Nanogranular Co/C60-Co Film with High Magnetoresistance.” Materials Transactions. vol. 48, no. 4, pp. 754-758, 2007.
[4] A. Younis, D. Chu, X. Lin, J. Lee, and S. Li. “Bipolar Resistive Switching in p-Type CO 3 O 4 Nanosheets Prepared By Electrochemical Deposition.” Nanoscale Res. Lett., vol. 8, no. 1, pp. 36, 2013.
[5]. J. Feng, Y. Q. Wang, F. Q. Li, H. P. Shi, and X. Chen. “Detection Of Magnetic Microbeads And Ferrofluid With Giant Magnetoresistance Sensors.”
Konfigurasi Fasa Kobal (Co) dan Sifat Magnetoresistance pada Paduan Granular Co-C Pasca Milling Energi Tinggi (S. Purwanto )
Journal of Physics: Conference Series. vol. 263, pp. 012002, 2011.
[6]. J. Sort, J. Nogues, S. Surinach and M.D. Baro. “Microstructural Aspects Of The Hcp-Fcc Allotropic Phase Transformation Induced in Cobalt by Ball Milling.” Philos. Mag., vol. 83, no. 4, pp. 439–455, 2003.
[7]. A. S. Bolokang, M. J. Pasha, D. E. Motaung, and S. Bhero. “Effect of Mechanical Milling and Cold Pressing on Co Powder.” J. Metall., vol. 2012, pp. 1-7, 2012.
[8]. S. R. Gawali, S. Pandit, and J. Pant. “Magnetic Properties of Co 3 O 4 Nanoparticles.” vol. 6, no. 3, pp. 2178-2180, 2014.
[9]. H. S. Hsu, P. Y. Chung, J. H. Zhang, S. J. Sun, H. Chou, H. C. Su, C. H. Lee, J. Chen, and J. C. A. Huang. “Observation Of Bias-Dependent Low Field Positive Magneto-Resistance in Co-doped Amorphous Carbon Films.” Appl. Phys. Lett., vol. 97, no. 3, pp. 2010-2012, 2010.
[10]. X. Li, L. Cheng, Y. Wang, Y. Gao, Z. Quan, X. Qin, H. J. Blythe, G. A. Gehring, and X. Xu. “The
Magnetoresistance of Nanostructured Co-ZnO Films with ZnO Buffer-Layers.” Materials Sciences and Applications, vol.5,pp. 996-1003, 2014.
[11]. Z.-Y. Quan, L. Zhang, W. Liu, H. Zeng, and X.-H. Xu. “Resistivity Dependence Of Magneto resistance in Co/ZnO Films.” Nanoscale Res. Lett., vol. 9, no. 1, p. 6, 2014.
[12]. Z. W. Fan, P. Li, E. Y. Jiang, and H. L. Bai. “High Spin Polarization Induced By The Interface Hybridization in Co/C Composite Films.” Carbon vol. 50, pp. 4470-4475, 2012.
[13]. Z. W. Fan, P. Li, E. Y. Jiang, and H. L. Bai. “Evolution Of Magnetoresistance Mechanisms in Granular Co/C Films With Different Conduction Regimes.” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 46, no. 6. p. 065002, 2013.
[14]. A. Tembre, J. Hénocque, and M. Clin. “Infrared and Raman Spectroscopic Study of Carbon-Cobalt Composites.” International Journal of Spectroscopy, vol. 2011, Article ID 186471, 6 pages, 2011.