## FABRIKASI FILM TIPIS SEMIKONDUKTOR FEROMAGNETIK TiO

## 2 -Co DENGAN TEKNIK MOCVD DAN PENGAMATAN MAGNETORESISTANSI
Edy Supriyanto 1,2 , Horasdia Saragih 3 , Agus Subagio 1,4 , Maman Budiman 1 , Pepen Arifin 1 , Moehammad Barmawi 1 dan Sukirno 1
1 Fisika Material Elektronika, Program Studi Fisika - ITB Jl. Ganesha No. 10, Bandung
2 Jurusan Fisika, F-MIPA, Universitas Negeri Jember Kampus Tegalboto, Jl. Kalimantan III, Jember 68121
3 Jurusan Fisika, F-MIPA - Universitas Pattimura Jl. Ir. M. Putuhena, Kampus Poka, Ambon
4 Jurusan Fisika, FMIPA - UNDIP Prof. Dr. Sudarto SH, Semarang 50239

## ABSTRAK
FABRIKASI FILM TIPIS SEMIKONDUKTOR FEROMAGNETIK TiO 2 -Co DENGAN TEKNIK MOCVD DAN PENGAMATAN MAGNETORESISTANSI . Film tipis TiO 2 -Co telah berhasil ditumbuhkan di atas subtrat Si dengan teknik MOCVD . Film tipis TiO 2 -Co bersifat feromagnetik pada suhu ruang, dan memiliki respon magnetik lunak ( soft magnetic ). Penggunaannya sebagai material injektor pada divais spintronika berstruktur TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co, diinvestigasi. Karakteristik arus-tegangannya, tanpa dan dengan medan magnetik luar, dianalisa. Teramati adanya pengaruh magnetik terhadap resistansi divais yang disebut sebagai magnetoresistansi. Magetoresistansi diperoleh bergantung pada besarnya tegangan bias yang diberikan pada divais. Penambahan tegangan ke suatu nilai tertentu dapat menghilangkan efek magnetoresistansi.
Kata kunci : Magnetoresistansi, spintronika, semikonduktor feromagnetik, TiO 2 -Co

## ABSTRACT
FABRICATION OF TiO 2 -Co FERROMAGNETIC SEMICONDUCTOR THIN FILMS BY MOCVD TECHNIQUE AND INVESTIGATION OF MAGNETORESISTANCE. TiO 2 -Co thin films have been deposited on Si substrates by MOCVD technique. The thin films are ferromagnetic at room temperature and have soft magnetic properties. The spintronics devices based on TiO 2 -Co with TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co structure were fabricated. Its current-voltage characteristics were investigated. It is found that the resistance of devices was influenced by external magnetic field. Resistance of devices was increased when the external magnetic field applied on devices (this resistance-magnetic dependence is called as magnetoresistance). On the other hand, the magnetoresistance of devices is depending on applied voltage. Magnetoresistance was decrease with increasing of applied voltage.
Key words : Magnetoresistance, spintronics, ferromagnetic semiconductors, TiO 2 -Co

## PENDAHULUAN
Pengembangan divais spin elektronika ( spin tronika) akhir-akhir ini mendapat banyak perhatian. Usaha untuk membuat divais yang hemat energi dan memiliki responsitas yang tinggi adalah tujuan yang ingin dicapai. Penggunaan bahan semikonduktor feromagnetik merupakan suatu solusi untuk meningkatkan efesiensi. Dan suatu teknik penumbuhan dipilih untuk menghasilkan divais berkualitas baik.
Proses kerja divais spin tronika adalah memanfaatkan sifat magnetoresistansi yang disebabkan oleh polarisasi spin dari suatu elektron atau lubang ( hole ). Beberapa hal yang terlibat di dalamnya, meliputi:
proses injeksi spin ke suatu bahan semikonduktor, proses manipulasi dan atau penyimpanan spin , dan proses deteksi spin setelah keluar dari bahan semikonduktor [1]. Berbagai kajian teori dan eksperimen dilakukan terhadap salah satu atau lebih dari ketiga hal tersebut.
Penggunaan bahan logam feromagnetik sebagai injektor pada divais spin tronika semikonduktor menghasilkan tingkat efesiensi yang sangat rendah [2]. Hal ini disebabkan karena perbedaan nilai konduktivitas yang sangat besar antara logam dengan semikonduktor, sehingga menurunkan tingkat polarisasi spin muatan
Fabrikasi Film Tipis Semikonduktor Feromagnetik TiO 2 -Co dengan Teknik MOCVD dan Pengamatan Magnetoresistansi (Edy Supiryanto)
pembawa pada logam feromagnetik [3]. Bahan semikonduktor feromagnetik diusulkan untuk mengatasi permasalahan tersebut, dan struktur hetero (Zn,Mn,Be)Se/(Zn,Be)Se/(Zn,Mn,Be)Se dibuat untuk pertama kali [4]. Resistansi antar-muka ( interface ) yang bergantung pada medan magnetik divais, diinvestigasi [5]. Didapatkan suatu peningkatan polarisasi spin muatan pembawa pada bahan (Zn,Mn,Be)Se yang mencapai hampir 90% [3].
Bahan semikonduktor (Zn,Mn,Be)Se bersifat feromagnetik di bawah suhu 30K [4]. Suhu operasi ini sangat jauh di bawah suhu ruang sehingga belum memenuhi kebutuhan praktis. Oleh karena itu, pencarian terhadap material baru terus dilakukan. Pada tahun 2001, ditemukan bahwa semikondutor TiO 2 yang didadah dengan elemen Co, TiO 2 -Co, menunjukkan sifat feromagnetik di atas suhu ruang [6]. Penemuan ini memposisikan material TiO 2 -Co menjadi kandidat yang potensial untuk diaplikasikan. Penggunaan bahan TiO 2 -Co dalam pembuatan divais spin tronika menjadi suatu langkah yang harus dilakukan selanjutnya.
Film tipis TiO 2 -Co telah ditumbuhkan dengan menggunakan teknik MOCVD . Respon feromagnetiknya telah diamati pada suhu ruang. Parameter optimum penumbuhan telah dilaporkan [7-9]. Dalam makalah ini, sebagai tindak lanjutnya, pengamatan awal magnetoresistansi sebagai efek injeksi spin dari divais yang dibangun dari film tipis TiO 2 -Co dengan struktur TiO 2 -Co/Si/ TiO 2 -Co, dilaporkan.

## METODE PERCOBAAN
Film tipis TiO 2 -Co ditumbuhkan di atas subtrat Si dengan menggunakan prekursor metalorganik titanium (IV) isopropoxide [Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 ] 99,99% yang berbentuk cair pada suhu ruang dengan titik leleh 20 o C ( Sigma Aldrich Chemical Co., Inc. ) dan tris (2,2,6,6-tetramethyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III) , 99%, Co(TMHD) 3 ( Strem Chemical, Inc. ) serta gas oksigen sebagai sumber O. Co( TMHD ) 3 berbentuk serbuk. Bahan ini dilarutkan ke dalam pelarut tetrahydrofuran (THF, C 4 H 8 O) untuk memperoleh prekursor dalam bentuk cair dengan konsentrasi 0,1 mol per liter. Penumbuhan film dilakukan dengan teknik MOCVD [7-9]. Parameter penumbuhan yang digunakan dirangkumkan pada Tabel 1. Langkah-l angkah penumbuhan diterangkan pada laporan yang lain [7-9].
Film tipis TiO 2 -Co yang ditumbuhkan diterapkan guna membangun divais sederhana berstruktur TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co. TiO 2 -Co, yang adalah semikonduktor feromagnetik, berperan sebagai injektor dan detektor spin . Si yang adalah semikondutkor non-magnetik, berperan sebagai jalur konduksi ( conduction channel ), dimana spin akan dilintaskan. Logam Ag digunakan sebagai kontak ohmik yang ditumbuhkan dengan teknik evaporasi di atas
film tipis TiO 2 -Co. Skema divais yang dibangun selengkapnya ditunjukkan pada Gambar 1. Ketebalan logam Ag sekitar 1 m dengan luas (300x300) m 2 . Jarak antara injektor dan detektor TiO 2 -Co adalah 500 m yang lebih besar dari jarak pembalikan spin ( spin flip ) pada semikonduktor Si yang diperkirakan sekitar beberapa ratus nanometer [3].
Persentase konsentrasi atom penyusun film diukur dengan Energy Dispersive Spectroscope ( EDS ) (Jeol JSM 6360LA). Struktur kristalnya diinvestigasi dengan X-Ray Diffractometer ( XRD ) dengan menggunakan radiasi Cu K PW3710). Ketebalan dan morfologi butiran penyusun film diamati dari hasil potret Scanning Electron Microscope ( SEM ) (Jeol JSM 6360LA). Sifat magnetik film diuji dengan suatu sistem Vibrating Sample Magnetometer ( VSM ) (Oxford). Dan karakteristik transport listrik film dan divais ditentukan dari hasil pengukuran Hall dengan metode empat titik van der Pauw .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola XRD dan potret SEM film tipis TiO 2 -Co yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 2. Film tumbuh membentuk susunan butiran yang memiliki bidang kristal rutil (002) (R(002)). Butiran-butiran berbentuk kolumnar yang tegak lurus terhadap permukaan subtrat Si(100). Butiran dan batas-batasnya terlihat sangat jelas, yang secara tidak langsung menyatakan bahwa hubungan antar butir sangat kuat. Atom-atom yang terdapat pada batas antar butir telah dengan baik memposisikan diri
(a) (b)
Gambar 1 . Skema divais spintronika sederhana berstruktur TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co yang dibangun pada penelitian ini.
(a) struktur divais yang digunakan untuk menguji kontak ohmik logam Ag terhadap TiO 2 -Co dan (b) struktur divais yang digunakan untuk mengamati fenomena magnetoresistansi.
Parameter Penumbuhan Nilai Besaran Suhu bubbler prekursor TTIP (T b(Ti) ) Suhu substrat Si (T s ) Tekanan uap TTIP (P b(Ti) ) Laju aliran gas Ar yang membawa uap TTIP (Ar (Ti) ) Tekanan uap Co(C 11 H 19 O 2 ) 3 (P b(Co) ) Laju aliran gas Ar yang membawa uap Co(C 11 H 19 O 2 ) 3 (Ar (Co) ) Laju aliran gas O 2
Tekanan total penumbuhan (P (total) ) 50 o C 450 o C
260 Torr 100 sccm 260 Torr 30 sccm 60 sccm 2,3x10 -3 Torr
Tabel 1 . Parameter penumbuhan film tipis TiO 2 -Co.
sesuai dengan susunan atom butiran induknya. Butiran memiliki bentuk yang relatif seragam dan tidak ditemukan adanya penumbuhan butir yang abnormal. Kolumnar butir memanjang dari permukaan subtrat sampai ke permukaan film. Hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi suatu proses gangguan, seperti hadirnya fasa-fasa pengotor, pada saat penumbuhan berlangsung. Film tumbuh dengan suatu kerapatan butir yang sangat tinggi sehingga permukaan film relatif sangat halus dengan tanpa adanya penumbuhan kluster-kluster tambahan di permukaan film.
Untuk menginvestigasi besar kandungan Co di dalam film, pengukuran EDS kemudian dilakukan. Dari hasil pencacahan sinar-X yang diemisi oleh atom-atom Co yang terdapat di dalam film, diperoleh bahwa atom Co yang terdadah ke dalam material induk TiO 2 adalah 1,83%.
Selanjutnya, respon magnetik film diamati pada suhu ruang. Kurva histeresisnya ditunjukkan pada Gambar 3. Sifat feromagnetik teramati, dengan suatu nilai magnetik koersif (H c ) dan magnetisasi saturasi (M s ) masing-masing 130 Oe dan 2,1 emu/cm 3 . Sifat anisotropi magnetik film, sebagaimana ditunjukkan oleh nilai H c , tergolong relatif kecil (<10000 Oe) sehingga film tipis TiO 2 -Co yang dihasilkan pada penelitian ini dikategorikan sebagai magnetik lunak ( soft magnetic ), yaitu suatu respon magnetik yang disyaratkan dalam pembuatan divais spin tronika semikonduktor. Film tipis TiO 2 -Co dengan karakteristik magnetik dan kristal sebagaimana diterangkan di atas, diterapkan guna membuat divais spin tronika. Kontak logam Ag digunakan dan sifat ohmiknya diuji. Pengujian sifat ohmik kontak logamAg dilakukan dengan menggunakan struktur seperti ditunjukkan pada Gambar 1a. Karakteristik arus-tegangan diukur, dan kurvanya ditunjukkan pada Gambar 4. Teramati suatu hubungan yang linier antara arus dan tegangan, yang artinya bahwa Ag bersifat ohmik terhadap TiO 2 -Co.
Divais spin tronika berstruktur TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co dengan kontak ohmik Ag, dibentuk (Gambar 1b). Karakteristik arus-tegangannya diukur pada suhu ruang dengan tanpa memberikan medan magnetik luar dan dengan medan magnetik sebesar 3500 Oe. Hasil kurvanya ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 . Kurva
arus-tegangan divais TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co yang diukur pada suhu ruang.
Gambar 2 . Pola XRD (a) dan Potret SEM penampang lintang (b) film tipis TiO 2 -Co yang ditumbuhkan pada suhu 450 o C. 2 teta (derajat) (A) (B)
Gambar 3 . Kurva histeresis magnetisasi film tipis TiO2:Co dengan kandungan Co = 1,83% yang diukur pada suhu 300 K.
H (Oe)
(a)
Gambar 4 . Kurva arus-tegangan kontak Ohmik logam Ag terhadap film tipis TiO 2 -Co.
Fabrikasi Film Tipis Semikonduktor Feromagnetik TiO 2 -Co dengan Teknik MOCVD dan Pengamatan Magnetoresistansi (Edy Supiryanto)
Divais, dengan struktur seperti diterangkan di atas, dimagnetisasi untuk mempolarisasi spin muatan pembawa di dalam semikonduktor feromagnetiknya. Selanjutnya, spin yang terpolarisasi tersebut diinjeksi ke dalam material semikonduktor non-magnetik Si. Pada bahan semikonduktor non-magnetik, elektron-elektron yang memiliki spin-up dan spin-down masing-masing berkontribusi setengah terhadap konduktivitas bahan [3]. Muatan pembawa dengan spin yang berbeda dianggap memiliki jalur konduksi yang berbeda. Ketika muatan pembawa, dengan spin terpolarisasi, diinjeksi ke dalam material semikonduktor non-magnetik, kedua jalur spin pada semikonduktor non-magnetik dilintasi oleh jumlah muatan pembawa yang berbeda. Karena setiap jalur memiliki konduktivitas yang sama, maka penginjeksian muatan pembawa dengan spin yang dipolarisasi akan menghasilkan peningkatan nilai resistansi divais. Peningkatan resistansi ini akan menjadi dua kali lebih besar dari resistansi normal apabila polarisasi spin muatan pembawa pada material semikonduktor magnetik mencapai 100% dan dengan jarak lintas konduksi lebih kecil dari panjang pembalikan spin ( spin flip ), sehingga hanya salah satu jalur saja yang digunakan.
Perubahan resistansi ini, di dalam kasus dimana jarak lintas konduksi spin lebih besar dari panjang spin flip , dinyatakan oleh [3]:
2
o SNM SM SM SNM x R R 2 1 2 1 2 SNM o SNM o x o SNM SM SM x SNM SNM SM SM e x e dimana SM , SNM , SM , SNM adalah panjang spin flip dan konduktivitas masing-masing pada semikonduktor magnetik (SM) dan semikonduktor non-magnetik (SNM). x o dan masing-masing adalah jarak antara kontak SM dan derajat polarisasi spin pembawa muatan pada SM. Dengan kata lain, persamaan (1) menggambarkan efek magnetoresistansi akibat akumulasi spin pada salah satu jalur konduksi di dalam suatu semikonduktor non-magnetik. Akumulasi ini terjadi pada jarak sama dengan dan lebih kecil dari panjang spin-flip . Dari hasil pengukuran karakteristik arus-tegangan divais berstruktur TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co pada suhu ruang, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5, teramati adanya fenomena magnetoresistansi sebagai efek injeksi spin terpolarisasi. Divais dimagnetisasi pada kuat medan H = 0 Oe dan H = 3500 Oe sejajar bidang subtrat Si. Kuat medan H sebesar 3500 Oe digunakan untuk menjamin saturasi magnetisasi pada bahan TiO 2 -Co (Gambar 3). Muatan pembawa yang spin nya telah terpolarisasi ini diinjeksi ke dalam semikonduktor non-magnetik Si dengan mengalirkan arus listrik melalui divais. Akumulasi muatan terjadi pada salah satu jalur konduksi.
Untuk melihat lebih jelas fenomena efek injeksi spin pada salah satu jalur konduksi ini, kurva R = R (H=3500) -R (H=0) diplot terhadap tegangan bias (V bias ) pada rezim linier dan non-liniernya seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Ketika tegangan bias diperbesar pada divais, penurunan magnetoresistansi secara tajam, teramati. Penurunan magnetoresistansi ke ½ kali nilai semula, terjadi pada nilai tegangan sekitar 0,3 Volt. Pada tegangan yang lebih tinggi, magnetoresistansi divais tidak selamanya bergantung pada kuat medan magnetik luar yang diberikan. Hal ini ditunjukkan oleh kenyataan bahwa tidak teramati adanya perubahan resistansi pada kasus H = 0 Oe dan H = 3500 Oe ketika tegangan bias yang diberikan melebihi 1 Volt. Fakta ini menunjukkan bahwa terjadi suatu pereduksian polarisasi spin yang diinjeksi sampai ke 0% ketika pada divais diberi tegangan bias di atas 1,1 Volt.
Penurunan magnetoresistansi yang tajam ini dapat difahami dengan mengkaji potensial elektrokimia ( ) muatan pembawa yang memiliki spin-up dan spin-down pada antar-muka ( interface ) persambungan SM-SNM.
Ketika arus dialirkan dari material SM (ambil kasus dimana konsentrasi muatan pembawa yang memiliki spin-down lebih besar dari pada yang memiliki spin-up pada material SM (lihat Gambar 7) sehingga derajat polarisasi spin ( ) di bawah 100%) ke dalam material SNM, potensial elektrokimia muatan pembawa akan terpisah di interface berdasarkan spin nya. Pemisahan dan pada interface menjadi gaya penggerak ( driving force ) arus spin ke dalam material SNM. Penginjeksian spin ini menyebabkan terjadinya penurunan tegangan secara drastis sebesar V (drop tegangan) pada interface sebagai konsekuensi pengkonversian spin ke dalam material yang tidak bersifat feromagnetik. Drop tegangan ini terjadi sebagai akibat adanya perbedaan antara potensial elektrokimia
Gambar 6 . Kurva perubahan resistansi R divais TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co yang diplot sebagai fungsi tegangan bias (Vbias). (Perhatikan, bahwa dibutuhkan tegangan sama dengan 1,1 Volt atau lebih untuk mengatasi perbedaan resistansi yang terjadi akibat akumulasi spin ke dalam salah satu jalur konduksi pada semikonduktor Si, sebagaimana diterangkan pada teks).
rata-rata pada SM dan SNM. Besar beda energi oleh perbedaan potensial ini adalah ) 0 ( ) 0 ( SNM SM V e ,
yang selanjutnya menghasil kan resistansi R = V/I , dengan e dan I masing-masing adalah muatan elektron dan arus. Untuk memenuhi syarat kekekalan muatan pada interface , V harus dikompensasi melalui ikatan pita energi, yang sangat kuat khususnya pada saat arus yang dialirkan diperbesar. Kondisi ini menjadikan R sangat bergantung pada besarnya arus yang mengalir berkurang dengan naiknya arus.

## KESIMPULAN
Film tipis TiO 2 yang didadah dengan elemen Co, TiO 2 -Co, telah ditumbuhkan di atas subtrat Si(100) dengan teknik MOCVD . Film tipis yang dihasilkan bersifat feromagnetik pada suhu ruang. Berdasarkan hasil respon magnetiknya, film tipis TiO 2 -Co memiliki sifat magnetik lunak ( soft magnetic ) sebagaimana disyaratkan dalam pembuatan divais spin tronika semikonduktor. Keberhasilan menumbuhkan film tipis TiO 2 -Co, dilanjutkan kepada penerapannya untuk mengkonstruksi divais spin tronika sederhana berstruktur TiO 2 :Co/Si/ TiO 2 -Co. Dari hasil pengukuran karakteristik arus- tegangan teramati adanya efek injeksi spin terpolarisasi (fenomena magnetoresistansi). Resistansi divais bergantung pada medan magnetik luar. Resistansi divais lebih besar pada saat medan magnetik bekerja pada injektor. Hal ini disebabkan oleh peristiwa akumulasi muatan pembawa yang didasarkan pada spin nya ke dalam salah satu jalur konduksi yang terdapat pada semikonduktor non-magnetik. Kebergantungan resistansi terhadap medan magnetik luar terjadi pada nilai tegangan bias di bawah 1 Volt. Penambahan tegangan bias, yang selanjutnya menambah besarnya arus yang
Gambar 7 . (a) Idealisasi struktur satu dimensi TiO 2 -Co/Si/TiO 2 -Co; (b) Model potensial elektrokimia muatan pembawa spin-up dan spin-down pada interface persambungan SM/SNM, E adalah energi dan adalah potensial elektrokimia [4].
mengalir pada divais, menyebabkan ikatan pita energi pada interface persambungan SM/SNM semakin kuat,
sehingga mengurangi nilai resistansi. Sifat magnetoresistansi divais menjadi hilang ( R =0) pada saat tegangan bias melebihi 1,1 Volt. Dari data-data sebagaimana diperoleh pada penelitian ini, telah berhasil dibuat suatu divais spin tronika sederhana yang berbasis pada material TiO 2 -Co yang dapat beroperasi pada suhu ruang. Adanya efek injeksi spin yang terpolarisasi telah teramati. Hal ini memberi harapan terhadap pengwujudan pembuatan divais spin tronika ke arah aplikasi praktis.

## DAFTAR ACUAN
[1]. SCHMIDT, G., J. Phys. D: Appl. Phys., 38 (2005) R107
[2]. SCHMIDT, G., FERRAND, D., MOLENKAMP, L.W., FILIP, A.T. and VAN WEES, B.J., Phys. Rev. B, 62 (2000) R4790
[3]. AWSCHALOM, D.D., LOSS, D. and SAMARTH, N., Semiconductor Spintronics and Quantum Computation , Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Germany, (2002)
[4]. SCHMIDT, G., GOULD, C., GRABS, P., LUNDE, A.M., RICHTER, G., SLOBODSKYY, A. and MOLENKAMP, L.W., Phys. Rev. Lett., 92 (2004) 226602-1
[5]. SCHMIDT, G., RICHTER, G., GRABS, P., FERRAND and MOLENKAMP, L.W., Phys. Rev. Lett., 87 (2001) 227203-1
[6]. MANIVANNAN, A., SEEHRA, M.S., MAJUMDER, S.B. and KATIYAR, R.S., Appl. Phys. Lett., 83 (2003) 111
[7]. SARAGIH, H., ARIFIN, P., and BARMAWI, M., Growth of Oxide Semiconductor Ferromagnetic TiO 2 :Co Thin Films on Si(100) Substrates by MOCVD Method and Its Characterizations, 3 rd International Conference on Materials for Advanced Technologies 2005, Singapore (2005)
[8]. SARAGIH, H., ARIFIN, P., dan BARMAWI, M., Jurnal Matematika dan Sains, 9 (4) (2004) 301
[9]. SARAGIH, H., ARIFIN, P., dan BARMAWI, M., Jurnal Matematika dan Sains, 9 (3) (2004) 263
0 (b) TiO2:Co Si TiO2:Co (a)