Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.023.04

## ANALISIS DIAMETER KRITIS DAN SUHU CURIE BAHAN PARMALLOY F E C O B BERBENTUK BOLA-NANO SERTA PENGARUH TEMPERATUR (HEAT ASSISTED) DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM SIMULASI MIKROMAGNETIK NMAG DAN VAMPIRE
W. Nursiyanto 1,a) , L. Rohman 2,b) , A. Eko M 2)
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pancasila, Srengseng Sawah, Jagakarsa, Jakarta 12640
2 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Jember Jln. Kalimantan 37, Jember 68121
Email: a) widianursiyanto@gmail.com , b) el_rahman.fmipa@unej.ac.id

## Abstrak
Bahan  paduan  magnet  ( parmalloy ) FeCoB bersifat  magnet  kuat  karena  memiliki  koersivitas  medan magnetik yang kuat. Dari sifat yang dimiliki ini, FeCoB sangat cocok digunakan sebagai bahan piranti penyimpan  data.  Namun  demikian,  bahan  parmalloy FeCoB ini  akan  mengalami  perubahan  sifat magnetnya  ketika  mendapat  pengaruh  temperatur  ( heat assisted )  yang  berubah-ubah  dan  dimensi (diameter  bola)  yang  berbeda.  Dengan  adanya  kondisi  tersebut,  diperlukan  informasi  yang  cukup  dari bahan  parmalloy FeCoB agar  menjadi  efektif  dan  efisien  ketika  bahan  ini  digunakan  sebagai  bahan dasar hard-disk .  Oleh  karena  itu,  dilakukan  analisis  bahan  parmalloy FeCoB yang  terdiri  dari  dimensi diameter  yang  mempengaruhi  perubahan  sifat  magnet  (diameter  kritis),  suhu Curie akibat  perubahan temperatur dan diameter bahan, serta kurva histerisisnya. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan program  simulasi  mikromagnetik Nmag dan Vampire .  Hasil  yang  didapatkan  dari  bahan  parmalloy FeCoB ini adalah memiliki diameter kritis sebesar 10 nm dan suhu Curie sebesar 700 K. Dari hasil ini dapat  disimpulkan  bahwa  bahan  parmalloy FeCoB akan  efektif  dan  efisien  sebagai  bahan  dasar hard- disk bila  dimensi  diameter  yang  digunakan  di  bawah  diameteri  kritis  dan  dioperasikan  di  bawah  suhu Curie.
Kata-kata kunci : parmalloy, kurva histerisis, suhu Curie, heat assisted.

## Abstract
The  magnetic alloy material (parmalloy) FeCoB is strongly magnetic material category because it has strong  coercivity.  So,  FeCoB  is  suitable  for  use  as  data  storage  device.  However,  the  FeCoB  will  be changed  of  its  magnetic  properties  when  it  used  to  varying  temperatures  (heat  assisted)  and  different dimensions  (spherical  diameter).  Therefore,  some  sufficient  information  is  required  from  the  material when  this  material  is  used  as  a  hard-disk  base  material.  An  analysis  of  FeCoB  parmalloy  material consisting  of  diameter  dimensions  influencing  the  change  of  magnetic  properties  (critical  diameter), Curie  temperature  due  to  changes  in  temperature  and  material  diameter,  and  hysteresis  curve.  This research  was  using  simulation  of  program  micromagnetic    are  Nmag  and  Vampire.  The  results  of  this research are the critical diameter is 10 nm and value of Curie temperature is 700 K. The conclusion from
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
that  results  is  the  material  will  be  effective  and  efficient  as  the  hard-disk  base  material  when  the diameter dimension is used under critical diameter. And it will be operated under Curie temperature.
Keywords : parmalloy, hysterisis curve, Curie temperature, heat assisted.

## PENDAHULUAN
Pada dekade terakhir ini, telah banyak penelitian bahan magnetik film tipis yang dapat digunakan dalam peralatan yang bekerja pada frekuensi tinggi seperti kepala magnetik Hard Disk Drive (HDD) dalam bentuk produk Magnetic Random Acces Memory (MRAM). Bahan paduan FeCoB merupakan bahan magnet permalloy yang bersifat hard magnetik yang memiliki medan koersifitas kuat sehingga sangat  baik  untuk  keperluan  tersebut  [1,2,3].    Pada  umumnya,  FeCoB  digunakan  sebagai  lapisan bahan ferromagnetik yang dijadikan sistem spin valve sensor Tunnelling Magnets Resistance (TMR). TMR  merupakan  efek  yang  terjadi  akibat  adanya  arus  tunneling  pada  lapisan  isolator  yang dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor  antara  lain  ketebalan,  tegangan  dan  suhu  pada  lapisan  isolator [4,5,6]
Kelebihan  lain  dari  FeCoB  adalah  memiliki  nilai  anisotropi  tinggi  yang  dapat  diperkecil  hingga ukuran  nano  tanpa  kehilangan  sifat  magnet  akibat  efek  suhu,    sehingga  memang  layak  digunakan sebagai  bahan  perekaman  magnetis  berkapasitas  ultra  tinggi  [7].    Mekanisme  penulisan  data menggunakan  pulsa  laser  dengan  daya  tinggi  yang  dikenakan  pada storage  cell  memory hingga mendekati suhu Curie yang  dinamakan Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) [7,8,9]. Temperatur Curie merupakan  nilai  temperatur  ketika  suatu  bahan  ferromagnetik  tepat  akan mengalami  perubahan  menjadi  bahan  paramagnetik  [8].  Jika  terjadi  sedikit  perubahan  temperatur akan  menyebabkan  proses  efek  superparamagnetik  yang  dapat  mengubah  orientasi  magnetisasi sehingga terjadi penyimpanan data menjadi tidak stabil dan akan rusak . .

## METODE PENELITIAN
Analisis  diameter  kritis  dan  suhu Curie bahan parm-alloy FeCoB    dilakukan    dengan    metode simulasi    yang  menggunakan    perangkat    lunak    domain    publik  : Nmag dan Vampire yang didasarkan pada persamaan Landau- Lifshitz-Gilbert [10].
      eff s eff H M M M H M M         2 2
1 1      dt d (1)
dengan nilai H eff :
exchange aniso demag applied eff H H H H H     (2)
Estimasi  diameter  kritis  yang  merupakan  batas  maksimum  dalam single-domain (SD) menggunakan persamaan Kittle, Brown dan R. Skomski sebagai berikut :
Persamaan Kittel :
       2 1 2 9 s w M DC   (3)
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Persamaan Brown :
ex s I , M A , DC 211 7 2 211 7 2 2    (4) Persamaan R. Skomski :
2 0 3 72 s M AK DC   (5)
Bahan paduan magnet FeCoB yang digunakan memiliki geometri bola-nano ( nanosphere ) seperti terlihat pada Gambar 1.
GAMBAR 1 . Geometri FeCoB yang digunakan dalam simulasi
Digunakan  beberapa  parameter  bahan    paduan  magnet  FeCoB    yaitu  : M s =1,16  x  10 6 A/m; K =1273  J/m 3 ; A =1,37x10 -11 J/m;  Faktor  Redaman  ( α )  =  0.05;  Diameter  =  5  nm  –  60  nm;  Medan eksternal yang diberikan mulai  -  4T  sampai  4T  dengan  tahapan  perubahan  sebesar  0,1T.
Dengan  menggunakan  program  simulasi  mikro-magnetik  dapat  ditentukan  diameter  kritis,  kurva histeresis , temperatur Curie dan pengaruh heat assisted terhadap kurva histerisis dari bahan FeCoB.
.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini diperoleh hasil terdiri dari empat bagian yaitu :

## a) Penentuan Diameter Kritis
Hasil  pengamatan  struktur  domain  magnet  setiap  diameter  (Gambar  1)  dan  analisa  terhadap energi  sistem  yang  berkontribusi  dilakukan  untuk  melihat  daerah  transisi  terjadinya  perubahan struktur domain (Gambar 2) dapat menentukan diameter kritis .
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 2 . Struktur domain magnet bahan FeCoB dengan variasi diameter 5 nm – 60 nm. Terlihat bahwa terdapat dua struktur domain magnet  yang terbentuk  yaitu single-domain dan vortex. Sesuai  definisi  bahwa  diameter  kritis  merupakan  ukuran  maksimum  dari  keadaan  single domain,  maka  diameter  kritis  dapat  ditentukan  pada  diameter  10  nm.  Pada  diameter  15  nm  – 60 nm struktur domainnya sudah berada dalam keadaan vortex .
Dari  kurva  antara  energi  sistem  dengan  diameter  (Gambar  3)  terlihat  bahwa  pada  diameter 10  nm  energi exchange dan  energi demagnetisasi mengalami  perubahan,  hal  ini  memperkuat kesimpulan bahwa diameter kritis terjadi pada diameter 10 nm.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 3 . Grafik energi sistem dari bahan FeCoB terhadap variasi diameter
Perhitungan  diameter  kritis  dengan  menggunakan  persamaan Kittle , Brown dan R.  Skomski , diperoleh hasil yang terlihat dalam Tabel 1.
TABEL 1 . Hasil perhitungan diameter kritis Bahan Perhitungan (nm) DC 1 DC 2 DC 3 FeCoB 2,8 28,9 5,6

## b) Kurva Histerisis
Kurva  histerisis  magnetisasi  terhadap  medan  magnet  eksternal  ditunjukkan  pada  Gambar  4. Kurva histerisis yang terbentuk memperlihatkan adanya perubahan medan koersivitas dan medan saturasi    terhadap  variasi  diameter.  Medan  koersivitas  pada  diameter  10  nm  lebih  besar dibandingkan  dengan  diameter  5  nm, sedangkan  pada  diameter  15  sampai  25  nm  mempunyai pola menurun.
GAMBAR 4 . Kurva histerisis dari bahan FeCoB terhadap variasi diameter  tanpa pengaruh suhu

## c) Penentuan Temperature Curie
Proses penentuan temperatur Curie juga dilakukan dengan menvariasikan diameter yaitu 5 nm sampai  dengan  25  nm.  Besarnya  suhu  yang  diberikan  sebesar    0  sampai  1000  K  dengan step perubahan 25 K. Kurva magnetisasi terhadap suhu ditunjukkan pada Gambar 5.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 5. Kurva temperature Curie dari bahan FeCoB dengan variasi diameter
Perubahan magnetisasi cenderung konstan pada temperatur di atas 700 K, oleh karena itu suhu 700 K disebut temperatur Curie .
d) Pengaruh Heat Assisted Terhadap Kurva Histerisis
Suhu yang diberikan pada bahan FeCoB sebesar 100 K sampai 800 K. Kurva  histerisis  yang dihasilkan  melalui  proses  magnetisasi  terhadap  pengaruh  suhu  dari  0  –  500  K  ditunjukkan pada Gambar 6.  Terlihat bahwa medan koersifitas naik pada 0-100 K dan turun pada 200–500K
GAMBAR 6 . Kurva Histerisis dari bahan FeCoB pada suhu 0 K – 500 K terhadap variasi diameter (a) 5 nm (b) 10 nm   (c) 15 nm (d) 20 nm  (e) 25 nm
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Kurva  histerisis  dihasilkan  melalui  proses  magnetisasi  terhadap  pengaruh  suhu dari 600 K - 800 K ditunjukkan pada Gambar 7. Terlihat bahwa medan koersifitas telah rusak
GAMBAR 7 . Kurva Histerisis dari bahan FeCoB pada suhu 600 K – 800 K  terhadap variasi diameter (a) 5 nm (b)10 nm  (c)15 nm (d) 20 nm  (e) 25 nm

## SIMPULAN
Bahan  parmalloy  FeCoB  berbentuk  bola-nano  memiliki  diameter  kritis sebesar  10  nm,  dan  nilai temperatur Curie adalah 700 K.   Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa  bahan FeCoB sangat baik untuk digunakan sebagai hard disk drive pada diameter 5 nm pada rentang operasi suhu 300K– 400K.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## REFERENSI
[1]  T.  Yokoshima,  S.  Nakamura,  D.  Kaneko,    T.  Osaka,  S.  Takefusa,    and  A.  Tanaka, “Micropattern  Formation  for  Magnetic  Recording  Head  Using  Electroless  CoFeB Deposition,” J. Electrochemical Soc. , vol. 8, pp. C375 –  C382, 2002.
[2]  I.  Kim,  J.  Kim,  and  M.  Yamaguchi,  “Effet  of  Boron  Contents  on  Magnetic  Propeties  of FeCoB Thin Film,” IEEE Trans. J. Magn, vol. 40, no. 4, pp. 2706 – 2708, 2004.
[3] R.  Resti  Astari , “Pengaruh  Variasi  Komposisi  Dan  Proses  Pendinginan  Terhadap Karekteristik Magnet Barrium Ferrite,” Skripsi, Jurusan Fisika, ITS, Surabaya, 2010.
[4] T. Shinjo , “Nanomagnetism and Spintronics,” Elsevier , Oxford, 2009.
[5]   P. Chando, J. Gang Zhu, T. Matthew Moneck, Y. Peng, and E. David Laughlin, “Annealing effects  on  structural  and  transport  properties  of  rf-sputtered  CoFeB/MgO/CoFeB  magnetic tunnel junctions,” J. Phys. Appl., 08A901. 99, pp 1-3, 2006.
[6]  G.  Setyawan,  dan  E.  Suharyadi,  “Analisa  Pergeseran  Magnetic  Domail  Wall  Pada  Lapisan Tipis  Free  Layer  CoFeB  Untuk  Sistem  Spin-Valve  Tunneling  Magneto-Resistance  (TMR) Sensor,” J. Fis Ind, No. 49, vol. XVII, ISSN: 1410-2994, 2013.
[7]      U.  Kilic,  G.  Finocchio,  T.  Hauet,  S.  H.  Florez,
G.Aktas,  and  O.  Ozatay,  “Magnetic
switching        driven by nanosecond scale heat and magnetic field pulses: An application of macrospin Landau-Lifshitz-Bloch model,” Appl. Phys. Lett. 101, 252407, 2012.
[8]    B.  Purnama,  Ismail  dan  Suharyana,  “Kajian  Simulasi  Mikromagnetik:  Ketergantungan Medan  Koersif  dengan  Besaran  Intrinsik  Nano-Dot  Magnetik  dengan  Anisotropi  Tegak Lurus,” J. Fis. Apll . , vol. 9 No.1, ISSN 30-332013, 2013.
[9]    W.  Sadnawanto,  dan  B.  Purnama,  “Modifikasi  Model  Thermally  pada  Heat  Assisted Magnetisasi  Reversal  Nano  Partikel  Magnetik,” J.  MIPA ,  37  (2),  hal.136-140  ISSN:  0215- 9945, 2014
[10]  T.L.  Gilbert, “ A  phenomenological theory  of damping in ferromagnetic materials, “ IEEE Trans. Magn ., vol. 40 no.6, pp. 3443–3449, 2004.