Jurnal Fisika Indonesia No: 53, Vol XVIII, Edisi Agustus 2014
ISSN : 1410-2994
Analisa  Pergeseran Magnetic  Domain  Wall pada  Lapisan  Tipis Free  Layer Co/Pd terhadap Pengaruh Dimensi Sampel
Umi Salamah, Edi Suharyadi*
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia Sekip Utara PO BOX BLS.21  Yogyakarta 55281, Indonesia Corresponding Author : esuharyadi@ugm.ac.id
Abstrak  –  Telah  dilakukan  analisa  pergeseran  magnetic  domain  wall  pada  lapisan  tipis  free  layer  Co/Pd  dengan menggunakan  software  Object  Oriented  Micromagnetic  Framework  (OOMMF)  berdasarkan  persamaan  Landau-Lifshitz Gilbert (LLG). Analisa dilakukan pada ukuran 100x100 nm dengan memvariasikan ukuran ketebalan yaitu 1 nm, 3 nm, dan 5 nm.  Dengan  pemberian  medan  eksternal  dari  arah  sumbu  (+)z,  magnet  saturasi  dicapai  pada  31.290  Oe  untuk  ketebalan  1 nm,  30.940  Oe  pada  ketebalan  3  nm,  dan  30.660  Oe  pada  ketebalan  5  nm.  Selanjutnya  dilakukan  analisa  dengan  variasi ukuran  pada  ketebalan  5  nm  yaitu  100x100  nm,  300x100  nm  dan  500x100  nm.    Magnet  saturasi  pada  ukuran  300x100  nm dicapai  pada  pemberian  medan  eksternal  sebesar  30.970  Oe  dan  magnet  saturasi  pada  ukuran  500x100  nm  dicapai  pada pemberian medan eksternal sebesar 31.040 Oe.
Kata kunci: pergeseran magnetic domain wall, simulasi mikromagnetik, magnetik saturasi
Abstract  –  We  have  investigated    the  magnetic  domains  wall    propagation  of  thin  layer  free  layer  Co/Pd  using  Object Oriented Micromagnetic Framework (OOMMF) based on Landau-Lifshitz Gilbert equation (LLG). Analysis performed on the size of 100x100 nm by varying the thickness: 1 nm, 3 nm, and 5 nm. With the granting of the external field in z+ direction, the magnetic saturation is achieved at 31.290 Oe with a thickness of 1 nm, 30.940  Oe at a thickness of 3 nm, and 30.660 Oe with a thickness of 5 nm. Further analysis with the variation in thickness of 6 nm size is 100x100 nm, 300x100 and 500x100 nm nm. The  magnetic  saturation  on  the  size  of  300x100  nm  was  achieved  in  the  provision  of  an  external  field  of  30.970  Oe  and saturation magnetic on the size of 500x100 nm was achieved in the provision of an external field of 31.040 Oe.

## Key words: domain magnetic propagation, micromagnetic simulation, magnetic saturation

## I. PENDAHULUAN
Industri  aplikasi  magnetik  dalam  bidang  teknologi magnetic  recording telah  mengalami  perkembangan  yang begitu  cepat.  Modern hard-disk-drive (HDD)  ada  di  setiap komputer  dengan  desain magnetic  device berukuran nanometer.  Perkembangan  ini  tidak  terlepas  dari  salah  satu perkembangan  ilmu magnetic yaitu spintronics .  Berbeda dengan conventional  electronic yang  hanya  memanfaatkan muatan elektron saja, spintronics memanfaatkan muatan dan arah spin elektron untuk meningkatkan kemampuan, sebagai contoh adalah untuk meningkatkan kemampuan penyimpanan data [3].
Co/Pd  merupakan  material  ferromagnetik  yang  memiliki tekstur yang kuat, struktur, sifat listrik dan sifat magnet yang menarik  serta  mempunyai  sifat  katalisator  yang  baik.  Pada ukuran  tertentu    atau  sering  disebut critical  size ,  Co/Pd dapat  menjadi single  domain ,  superparamagnetik,  magnetik anisotropi  yang  besar  dan  koersifitas  yang  maksimum  [4]. Karakter  anisotropi  magnetik  Co/Pd    yang  kuat  membuka peluang  material  ini  dapat  dipola  (pattern)  dengan  ukuran yang  sangat  kecil  tanpa  kehilangan  karakter  magnetiknya karena efek panas. Sehingga hal ini dapat membuka peluang diaplikasikan sebagai medium perekaman dengan kerapatan sangat  tinggi  atau  memori  magnetik.  Oleh  sebab  itu, penelitian  tentang  pergeseran magnetic  domain  wall pada Co/Pd  akan  memberikan  kontribusi  yang  penting  pada perkembangan  teknologi  khususnya  sistem  penyimpanan data.
Penelitian yang telah dilakukan pada lapisan Co/Pd adalah melalui  berbagai  analisa  eksperimen,  baik  dengan  TEM  , MFM  ataupun  lainnya.  Fokus  penelitian  ini  adalah  pada kajian  hubungan  antara  dimensi  sampel  Co/Pd  dengan magnetic  domain  wall .  Penyajian  hasil  analisa  simulasi pergeseran magnetic  domain  wall lapisan  tipis  Co/Pd menggunakan software Object  Oriented  Micromagnetic Framework (OOMMF).  Analisa  akan  dilakukan  dengan melihat  pergeseran magnetic  domain  wall dan  loop histerisis.

## II. METODE PENELITIAN
Analisa  pergeseran magnetic  domain  wall pada  lapisan tipis  Co/Pd  dilakukan  dengan  menggunakan  software OOMMF.  OOMMF  merupakan  software public yang dikembangkan  oleh  Mike  Donahue  dan  Don  Porter  dari National  Institute  of  Standards  and  Technology (NIST). Simulasi OOMMF berdasarkan pada persamaan LLG[5].
= − ( ) × − ( ) × × . ......   (1)
Ukuran  sel  idealnya  adalah  kurang  dari  perubahan panjang, perubahan panjang didefinisikan sebagai berikut :
= …….............................  (2)
Jurnal Fisika Indonesia No: 53, Vol XVIII, Edisi Agustus 2014
Dengan A dan Ms berturut-turut adalah konstanta exchange dan magnetik saturasi.
Tampilan software OOMMF terlihat pada gambar 1.
Gambar 1 . Tampilan software OOMMF
Simulasi  dilakukan  dengan  cara  memberikan  medan luar pada arah +z sebesar 35.000 Oersted (Oe) yang terdiri dari  500  step  dan  iterasi  100.  Dengan  adanya  medan  luar yang  diberikan,  diasumsikan  akan  adanya  pergeseran magnetic domain wall mengikuti arah medan  magnet luar. Dinamika  spin  pada simulasi  dapat  dijelaskan  dengan menggunakan persamaan (1).
Pada  simulasi  variabel  yang  divariasikan  adalah ketebalan  bahan  Co/Pd  pada  ukuran  bahan  100x100  nm. Bahan  Co/Pd  dengan  ukuran  tersebut  divariasikan ketebalannya sebesar 1 nm, 3 nm dan 5 nm dengan ukuran sel 5x5x t nm 3 , t merupakan ketebalan sampel. Selanjutnya dari  variasi  ketebalan  tersebut,  divariasikan  ukuran  pada ketebalan  yang  diperoleh  magnetik  saturasi  terkecil. Variasi ukuran bahan yang digunakan adalah 100x100 nm, 300x100  nm  dan  500x100  nm.  Parameter-parameter  yang dimiliki  oleh  Co/Pd  dan  digunakan  sebagai input program adalah sebagai berikut:
Ms = 42.12x10 4 [A/m] A = 3x10 -11 [J/m] K u = 5.4 x 10 5 [J/m 3 ] Dengan K u adalah konstanta anisotropy bahan Co/Pd.
Gambar 2. Konfigurasi awal magnetic domain wall Co/Pd dengan sumbu z ditunjukan dengan warna merah
Konfigurasi  awal magnetic domain  wall Co/Pd  pada  arah x dipresentasikan  dengan  warna  biru  muda,  arah  y  dengan  warna merah  vertikal,  dan  sumbu  z  yang  merupakan  arah  magnetisasi dipresentasikan dengan warna merah harizontal.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi pergeseran magnetic domain wall dilakukandengan  ukuran  sel  5x5x t nm.  Hasil  simulasi variasi ketebalan adalah sebagai berikut:
. Gambar 3 .Pola magnetic domain wall Co/Pd  pada ketebalan 1 nm, a) 0 Oe, b) 70 Oe c) 140 Oe, d) 14.000 Oe, e) 25.000 Oe, f) 31.290 Oe
Gambar 4 . Grafik histeresis loop Mz/Ms vs Medan Luar bahan Co/Pd (100x100nm 2 ) dengan ketebalan 1 nm
Co/Pd  dengan  ketebalan  1  nm  ditunjukkan  pada Gambar 3. Gambar 3.a merupakan bentuk awal konfigurasi Co/Pd  sebelum  diberikan  medan  magnet  luar.  Konfigurasi menunjukkan  Co/Pd  pada  kondisi  awal  adalah  random. Gambar  3.b  merupakan  tampilan  saat  diberikan  medan eksternal  70  Oe.  Pada  gambar  tersebut  memperlihatkan dengan  pemberian medan eksternal sebesar 70  Oe tersebut menyebabkan  terjadinya  beberapa  perluasan magnetic domain wall pada arah (+)x, (-)x dan (+)y. Pada saat medan eksternal  yang  diberikan  sebesar  140  Oe,  perluasan magnetic  domain  wall yang  tersisa  adalah  pada  arah  (+)x dan  (-)x,  sehingga  membentuk  satu stripe  domain secara horizontal.  Lebar stripe  domain yang  terbentuk  adalah  25 nm  dan  berada  di  tengah  bidang,  daerah  ini  merupakan perpindahan domain  wall yang  dapat  bergeser  seiring dengan  bertambahnya  medan  eksternal  yang  diberikan, seperti  terlihat  pada  gambar  3.c.  Sedang  pada  gambar  3.d terlihat  arah  magnetisasi  seluruhnya  satu  arah  yaitu  pada arah  sumbu  (+)x.  Hal  ini  menunjukan  bahwa  pada magnetic domain wall Co/Pd pada ketebalan 1 nm menjadi single  domain  pada  pemberian  medan  eksternal  sebesar 14.000  Oe  dengan  arah  (+)  x  menuju  ke  (-)z.  Semakin
a                                b                                 c
d
e                                 f
tinggi pemberian  medan pergeseran magnetic domain wall semakin  mengarah  pada  sumbu  (-)z.  Pada  pemberian medan  25.000  Oe  yang  ditunjukan  pada  gambar  3.e, pergeseran magnetic  domain  wall mendekati  saturasi  dan saturasi  dicapai  pada  pemberian  medan  31.290  Oe  yang ditunjukan  pada  gambar  3.f  dengan  nilai  Mz/Ms  adalah  1. Arah magnetisasi mengikuti arah medan magnet  luar yang diberikan  yaitu  sumbu  z  yang  ditunjukan  dengan  warna merah.  Gambar  4  menunjukan  grafik  maganetisasi  Co/Pd terlihat pada awal pergeseran arah magnetisasi belum stabil dikarenakan  kondisi  awal  domain  magnetik random .  Hal itu  terjadi  pada  pemberian  medan  magnet  luar  kurang  dari 1.750  Oe  atau  terlihat  pada  gambar  3a  s.d  3c.  Grafik pergeseran magnetic  domain  wall dengan  pemberian medan  magnet  luar  di  atas  1.750  Oe  (3.d  s.d  3.f) menunjukan  kenaikan  yang  teratur  hingga  terjadi  saturasi pada pemberian medan 31. 290 Oe.
Gambar 5 . Pola magnetic domain wall Co/Pd pada ketebalan
3 nm a) 0 Oe, b) 70 Oe c) 140  Oe,  d) 210 Oe, e)25.000 Oe, f) 30.940 Oe
Gambar 6 . Grafik Mz/Ms vs Medan Luar bahan Co/Pd (100x100nm 2 ) dengan ketebalan 3 nm
Hal yang sedikit berbeda terjadi Co/Pd pada ketebalan 3 nm, seperti yang ditunjukan pada gambar 5.  Gambar 5.a,5.b dan  5.c  menujukan  pergeseran magnetic  domain  wall dengan  perluasan  pada  arah  (+)x.  Arah  magnetisasi  stabil dimulai  pada  gambar  5.d  yaitu  dengan  pemberian  medan eksternal  sebesar    210    Oe.  Pada  kondisi  tersebut,  telah membentuk single  domain pada  arah  (+)x.      Gambar  5.e berwarna  hijau  muda  merupakan  pergeseran magnetic domain  wall dari  arah  (+)x  menuju  arah  (-)z.  Magnetisasi saturasi  terjadi  pada  gambar  5.f  yang  ditunjukan  dengan
warna  merah.  Gambar  6  merupakan  grafik  pergeseran magnetic  domain  wall tersebut,  kenaikan  yang  teratur hingga  terjadi  saturasi  pada  pemberian  medan  luar  sebesar 30.940 Oe.
Gambar 7 .Pola magnetic domain wall Co/Pd pada ketebalan  5 nm, a) 0 Oe, b) 70 Oe c) 140 Oe,  d) 1.330 Oe, e)25.000 Oe, f) 30.660 Oe
Gambar 8. Grafik histeresis loop Mz/Ms vs Medan Luar bahan Co/Pd (100x100 nm 2 ) dengan ketebalan 5 nm
Pergeseran magnetic  domain  wall Co/Pd  dengan ketebalan  5  nm  yang  ditampilkan  pada  gambar  7  dan  8. Perluasan  magnetic  domain  wall  pada  arah  sumbu  (-)x  dan (+)x  juga  terjadi  pada  ketebalan  ini,  seperti  yang  terlihat pada  7.a,  7.b  dan  7.c.  Sedikit  berbeda  dengan  ketebalan  1 nm,  pada  ketebalan  5  nm stripe  domain terjadi  secara vertical  dengan  lebar  20  nm.  Pada  gambar  7.d  terlihat magnetic  domain  wall menjadi single  domain pada  sumbu (+)  x  dengan  pemberian  medan  sebesar  1.330  Oe.   Gambar 7.e merupakan  pergeseran magnetic domain wall dari (+) x menuju arah (-)z yang ditunjukan dengan warna hijau muda. Saturasi  pada  ketebalan  ini  terjadi  pada  pemberian medan ditunjukan  pada  gambar  7.f.  Kenaikan  yang  teratur  untuk mencapai  saturasi  terjadi  pada  pemberian  medan  1.330  Oe, seperti yang terlihat pada gambar 8. Saturasi pada ketebalan ini  dicapai  pada  pemberian  medan  eksternal  sebesar  30.660 Oe.
a                         b c d                            e f a                      b c d e f
Jika  dibandingkan  dari  ketiga  pergeseran magnetic domain  wall di  atas,  masing-masing  mempunyai  pola pergerakan  yang  relatif  sama,  yaitu  perluasan  pada  arah sumbu  x,  membentuk single  domain dan  termagnetisasi pada arah sesuai dengan pemberian medan eksternal.
Gambar 9. Pola magnetic domain wall Co/Pd pada ketebalan 5 nm dengan variasi ukuran 100x100 nm, 300x100 nm,dan 500x100 nm.
Variasi  ukuran  pada  penelitian  ini  dilakukan  pada ketebalan  dengan  nilai  magnet  saturasi  terkecil  yaitu  pada ketebalan  5  nm.  Pada  gambar  9  terlihat  pola  pergeseran magnetic  domain  wall dengan  variasi  ukuran. Pemberian medan  eksternal  70  Oe  menyebabkan  terjadinya  perluasan domain  wall  pada  setiap  ukuran.  Semakin  panjang  ukuran sampel,  semakin  banyak  domain  wall  yang  terbentuk.  Hal yang  menarik  juga  terjadi  pada  pemberian  medan  eksternal 560  Oe,  pada  ukuran  100x100  nm  dan  300x100  nm terbentuk satu stripe domain yang berada di antara magnetic domain wall dengan arah (+)x dan arah (-)x, sedangkan pada ukuran  500x100  nm  terbentuk  dua stripe  domain dengan arah  domain  dominan  ke  (+)x.  Single  domain  pada  ukuran 100x100  nm  terjadi  pada  pemberian  medan  eksternal  1.330 Oe, sedang pada ukuran 300x100 nm terjadi pada pemberian medan eksternal di atas 9.450 Oe dan pada ukuran 500x100 nm  terjadi  pada  pemberian  medan  eksternal  di  atas  2.310 Oe.  Pemberian  medan  eksternal  sampai  dengan  25.000  Oe menyebabkan  pergeseran magnetic  domain  wall dari  arah sumbu (+) x menuju sumbu (-)z yang terlihat dengan warna hijau  muda.  Magnet  saturasi  pada  ukuran  100x100  nm dicapai  pada  pemberian  medan  eksternal  30.660  Oe,  pada
ukuran  300x100  nm  dicapai  pada  pemberian  medan eksternal  30.970  Oe  dan  pada  ukuran  500x100  nm  dicapai pada  pemberian  medan  eksternal  31.040  Oe.  Hal  ini ditunjukan  dengan  gambar  warna  merah  yang  artinya magnetic domain wall termagnetisasi pada arah sumbu z.

## V. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  dapat  diketahui  bahwa  Pergeseran magnetic  domain  wall  Co/Pd  akan  membentuk single domain pada  pemberian medan  eksternal  tertentu. Pergeseran magnetic domain wall tersebut dipengaruhi oleh ketebalan  dan  ukuran  bahan  Co/Pd.  Bahan  Co/Pd  dengan ketebalan  5  nm  mencapai  magnetisasi  saturasi  dengan pemberian  medan  luar  lebih  kecil  dengan  ketebalan  3  nm dan  ketebalan  3  nm  lebih  kecil  dibanding  1  nm.  Sehingga dapat  disimpulkan  semakin  besar  ketebals  sampel  yang digunakan  magnet  saturasi  yang  dicapai  semakin  kecil. Sedangkan,  pada  variasi  ukuran  disimpulkan  semakin  besar ukuran  yang  digunakan  semakin  tinggi  magnet  saturasinya. Magnetic  domain  wall bergeser  dengan  adanya penambahan  medan  luar  sesuai  dengan  arah  pemberian medan magnet luar.

## PUSTAKA
Buku :
[1] Hubert,A and Schafer,R., Magnetic Domains ’The Analysis of Magnetic Microstructures’ ,Erlangen-Nurnberg, 2009
[2]  Coey,J.M.D, Magnetism  and  Magnetic  Materials ,  Cambridge, 2009
Tesis :
[4] Setyawan,G., Analysis of The Propagation of Magnetic Domain Wall  in  A  Thin  Free  Layer  CoFeB  for  Spin-Valve  Tunnelling Magneto-Resistance  (TMR)  System ,  Gadjah  Mada  University, 2013
[5] Ballela,  M.D.L., Synthesis  and  Caracterization  of  Cobalt Nanoparticles Prepared by Liquid-Phase Reduction, University Sains Malaysia, 2008
Artikel Jurnal:
[6] Z.Liu, R.Brandt, O.Hellwig, S.Florez, T.Thomson, B.Terris and H.Schmidt, Thickness  dependent  magnetization  dynamics  of perpendicular  anisotropy  Co/Pd multilayer films ,  ELSEVIER, Journal  of  magnetism  and  magnetic  materials,  2011,  pp 1623- 1626
Internet:
[7]  M.J.  Donahue,  D.G.  Porter, OOMMF  User’s  Guide, 2002. Website: http://math.nist.gov/oommf ,  diakses  tanggal  10 Januari 2012.
100x100 nm    300x100 nm 500x100 nm 0 Oe 0 Oe 0 Oe 70 Oe 70 Oe 70 Oe 560 Oe 560 Oe 560 Oe 1.330 Oe 9.450 Oe 2.310 Oe 25.000 Oe 25.000 Oe 25.000 Oe 30.660 Oe 30.970 Oe 31.040 Oe