## Penumbuhan Lapisan Tipis Material Sensor Giant
Magnetoresistance Berstruktur Sandwich dengan Metode Sputtering
1,2 Ramli, 1 M. Djamal, 1 F. Haryanto & 1 Khairurrijal 1 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesa 10, Bandung 40132, Indonesia
2 Jurusan Fisika, Universitas Negeri Padang, Jl. Prof. Hamka, Padang 25131, Indonesia
1 ramlisutan@ymail.com 2 mitra@fi.itb.ac.id

## Abstrak
Material  giant  magnetoresistance  (GMR)  menjanjikan  untuk  diterapkan  dalam  bidang  teknologi penting, salah satunya sebagai sensor medan magnet lemah. Sensor GMR memiliki kelebihan, yakni ukuran yang kecil, daya dan harga yang relatif rendah dibandingkan sensor-sensor magnetik lainnya serta  sifat-sifat  magnetik  dan  elektriknya  dapat  divariasikan  dalam  rentangan  yang  sangat  lebar. Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  melihat  efek  giant  magnetoresistance  dari  lapisan  tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe yang ditumbuhkan di atas substrat Si (100) dengan metoda dc -Opposed Target Magnetron Sputtering (dc-OTMS). Parameter penumbuhan yakni; suhu 1000C, laju aliran gas argon  sebesar  100  sccm,  tekanan  0,52  mTorr,  dan  tegangan  dc  600  volt.  Dalam  paper  ini,  akan dibahas pengaruh ketebalan lapisan feromagnetik (NiCoFe) dan ketebalan lapisan non magnetik (Cu) terhadap  sifat  giant  magnetoresistance  dari  sandwich  NiCoFe/Cu/NiCoFe.  Hasil  pengukuran  rasio magnetoresistance memperlihatkan bahwa ketebalan lapisan NiCoFe mempengaruhi nilai rasio GMR, serta makin tebal lapisan NiCoFe, makin kecil medan saturasi, yang ditandai dengan kurva rasio GMR yang makin runcing. Dalam struktur sandwich, kecilnya nilai rasio GMR saat ketebalan NiCoFe rendah, kemungkinan disebabkan oleh hamburan pada permukaan luar seperti antarmuka substrat -film atau buffer  layer.  Hamburan  ini  mempengaruhi nilai GMR  saat  ketebalan  lapisan feromagnet  lebih  kecil dibanding panjang lintasan bebas rata-rata yang berhubungan dengan elektron ber-spin ke atas dan spin ke bawah. Demikian pula halnya dengan ketebalan lapisan non magnetik Cu juga mempengaruhi rasio GMR, dimana rasio GMR semakin berkurang dengan bertambahnya ketebalan lapisan Cu. Hal ini  kemungkinan  terjadi  akibat  peningkatan  hamburan  elektron  konduksi  yang  melintasi  lapisan pemisah  non  magnetik,  yang  mengurangi  aliran  elektron  diantara  lapisan -lapisan  feromagnetik  dan meningkatkan arus shunting, sehingga mengurangi nilai rasio GMR.
Kata kunci: feromagnetic, giant magnetoresistance, lapisan tipis, NiCoFe, non magnetik, sensor GMR.

## Abstract
Giant magnetoresistance (GMR) materials, promising to be applied in the field of critical technologies, one of them as a weak magnetic field sensors. The GMR sensor had some advantages; small size, low power and low price compared to other magnetic sensors and its magnetic and electric properties can be  varied  in  a  very  wide  range.  This  research  had  a  purpose  to  determine  the  effect  of  giant magnetoresistance of a thin  film of the sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe which were grown  on Si (100) substrate with dc- Opposed Target Magnetron Sputtering (dc-OTMS) method. Growth parameters were temperature 1000C, flow rate of Argon 100 sccm, pressure 0.52 mTorr, and dc voltage 600 volt. In this  paper,  we  discussed  the  influence  of ferromagnetic  layer  thickness (NiCoFe)  and non -magnetic layer  thickness  (Cu)  on  the  giant  magnetoresistance  properties  of  NiCoFe/Cu/NiCoFe  sandwich. Measurement  results  of  magnetoresistance  ratio  showed  that  the  thickness  of  NiCoFe  layer  that influenced  the  value  of  GMR  ratio,  and  saturation  field  decreases  with  increasi ng  NiCoFe  layer thickness,  which  was  marked  with  a  curve  that  increasingly  pointed  GMR  ratio.  In  a  sandwich structure, the small value of GMR ratio at low NiCoFe layer thickness, it caused by scattering on the outer surface such as substrate-film interface or buffer layer. This Scattering affects the value of GMR when the thickness of the ferromagnetic layer thickness is smaller than the length of mean free path
associated with the electron had spin up and spin down. Similarly, non -magnetic Cu layer thickness also  affects  the  GMR  ratio,  where  the  GMR  ratio  decreases  with  increasing  thickness  of  Cu  layer thickness. This occur due to increased scattering of conduction electrons passing through a layer of non-magnetic  spacer,  which  reduced  the  flow  of  electrons  between  ferromagnetic  layers  and increasing the flow shunting, thereby reducing the value of GMR ratio.
Keywords:  feromagnetic,  giant  magnetoresistance,  GMR  sensor,  NiCoFe,  non  magnetik,  sputtering, thin film.

## 1 Pendahuluan
Salah  satu  prinsip  fisika  yang  mendasari  penelitian  mengenai  sensor  magnetik  adalah prinsip  hamburan  elektron  yang  mengakibatkan  adanya  perubahan  resistansi  pada  suatu konduktor  bila  diberi  medan  magnet  luar.  Prinsip  ini  dinamakan magnetoresistance (MR). Material  yang  memperlihatkan  nilai  MR  yang  sangat  besar  dinamakan  sebagai  material giant magnetoresistance (GMR). Efek GMR ditemukan pertama kali oleh Baibich, dkk, pada tahun 1988 dalam lapisan multilayer yang terdiri atas lapisan ferromagnetik Fe dan lapisan pemisah  non-magnetik  Cr  ,  (Fe/Cr) n ,  yang  ditumbuhkan  dengan  metode Molecular  Beam Epitaxy (MBE) dengan ketebalan 0.5 – 5 nm dan menghasilkan rasio GMR ~ 50% [1].
Penemuan  GMR  telah  membuka  peluang  untuk  penerapannya  dalam  banyak  bidang aplikasi.  Material  GMR  mempunyai  potensi  yang  sangat  besar  sebagai  devais  pengindera medan  magnet  generasi  mendatang,  mempunyai  sifat-sifat  magnetik  dan  listrik  yang  baik sehingga sangat berpotensi untuk dikembangkan menjadi berbagai aplikasi seperti: sensor pengukuran  medan  magnet,  pengukuran  arus,  posisi  linier  &  rotasi,  penyimpanan  data, heads recording, dan non -volatile magnetic random access memory (MRAM) [2]. Disamping itu,  kebutuhan  akan  media  penyimpanan  magnetik  berkapasitas  besar  namun  berukuran kecil  untuk  komputer  saat  ini,  telah  menuntut  pengembangan  serius  akan  sensor  medan magnet berbasis GMR ini.
Dalam  kasus  logam   transisi  seperti  Ni,  Co,  Fe  ataupun  paduannya  sebagai  lapisan feromagnet  (FM),  maka  lapisan  pemisah  non  magnetic  (NM)  dipilih  harus  lebih  tipis. Transportasi  elektron  di  seluruh  lapisan  pemisah  ini  harus  melestarikan  informasi  spin, sehingga ketebalan lapisan pemisah harus  dijaga lebih tipis dari beberapa kali jalan bebas rata-rata (dalam kasus arus dalam bidang, CIP-GMR) atau panjang difusi spin (dalam kasus arus tegak lurus bidang, CPP-GMR).
Ketika  meninjau  ketergantungan  rasio  GMR  pada  ketebalan  lapisan  penyusun  material GMR  dalam  strukur  sandwich  dan  multilayer,  maka  kita  membandingkan  resistansi  dari konfigurasi magnet paralel dan antiparalel. Rasio GMR dicari dengan persamaan berikut:
 R = ( RAP – RP ) / RP (1)
dengan, R AP adalah  resistansi  saat  konfigurasi  antiparalel, R P adalah  resistansi  saat konfigurasi paralel, dan  R adalah rasio magnetoresistance.
Kebergantungan nilai  rasio  GMR pada ketebalan lapisan feromagnet (FM), secara kualitatif diungkapkan dengan persamaan [3]:
Sedangkan  kebergantungan  nilai  rasio  GMR  pada  ketebalan  lapisan  non  magnetik   (NM) secara kualitatif dinyatakan dengan persamaan di bawah ini [4]:
(3)
dengan d FM(NM) adalah ketebalan lapisan feromagnetik (non magnetik), d 0 adalah ketebalan efektif dan l FM(NM) adalah panjang lintasan bebas rata-rata dari feromagnetik (non magnetik).

## 2 Eksperimen
Penumbuhan  lapisan  tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe  dilakukan  di  Laboratorium  Oksida Fisika Material Elektronik jurusan Fisika ITB dengan metode dc-Opposed Target Magnetron Sputtering .  Target sputtering adalah  NiCoFe  sebagai  bahan  feromagnet  dan  Cu  sebagai bahan  non-magnet.  Pembuatan  target NiCoFe  dilakukan  dengan  reaksi  padatan  dengan perbandingan  molar  Ni:Co:Fe  =  60:30:10.  Bahan  dasar  diperoleh  dari  Cerac,  Inc,  yang terdiri dari serbuk logam Nikel (Ni = 99,9%} serbuk logam Cobalt (Co = 99,99%) dan logam besi (Fe = 99,99%). Pembuatan target Cu juga menggunakan reak si padatan dari logam Cu dengan kemurnian 99,5% yang juga diperoleh dari Cerac, Inc.
Sebelum  penumbuhan,  substrat  Si  (100)  dibersihkan  dari  zat-zat  pengotor  menggunakan aseton,  metanol  dan  DI  water.  Substrat  yang  sudah  bersih  dikeringkan  dengan  nitrogen, kemudian  ditempelkan  di  atas  heater  menggunakan  pasta  perak  dan  dipanaskan  sampai suhu  100 0 C.  Sementara  itu,  target  dimasukkan  ke  dalam  holder  dalam  reaktor.  Setelah suhu substrat mencapai 100 0 C, substrat dimasukkan dalam reaktor dengan shutter  dalam keadaan  menutupi  permukaan  substrat.  Parameter  penumbuhan  yakni;  laju  aliran  gas argon  sebesar  100  sccm,  tekanan  0,52  mTorr,  suhu  100 0 C,  dan  tegangan  dc  600  volt. Parameter  yang  diubah-ubah  adalah  lama  penumbuhan  lapisan  NiCoFe  dengan  Cu  tetap yang  akan  berpengaruh  pada  ketebalan  lapisan  NiCoFe,  serta  lama  penumbuhan  lapisan Cu  dengan  NiCoFe  tetap  yang  akan  berpengaruh  pada  ketebalan  lapisan  Cu.  Dari  hasil penelitian  sebelumnya  [5]  diperoleh  bahwa  lama  penumbuhan  berpengaruh  pada ketebalan lapisan tipis feromagnet maupun lapisan non magnet penyusun material GMR.
Sampel lapisan tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe yang telah ditumbuhkan, dikaraktierisasi menggunakan  XRD  ( X-Ray  Diffraction ),  SEM  ( Scanning  Electron  Microscope )  dan karakterisasi  rasio magnetoresistance  dengan metoda linear four-point probe dengan arus tegak lurus bidang.

## 3 Hasil dan Pembahasan
Hasil  pengukuran  XRD  memperlihatkan  bahwa  telah  berhasil  ditumbuhkan  lapisan  tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe  yang  memiliki  puncak  difraksi  pada  sudut  2θ  sekitar  34,0 0 dan 61,9 0 seperti terlihat dalam Gambar 1.
0 2000 4000 6000 8000 10000 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 2 Theta (derajat) In te n s ita s (a .u .) Si (100) Film Film t =  40,0 nm NiCoFe t =  47,5 nm NiCoFe t =  62,5 nm NiCoFe t =  100,0 nm NiCoFe
Gambar 1 Kurva XRD dari lapisan tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe untuk beberapa variasi ketebalan NiCoFe dengan ketebalan Cu tetap 14,4 nm
Ukuran butiran diperoleh dengan formula Scherrer [6] dan didapatkan ukuran butiran untuk ketebalan  lapisan  NiCoFe;  40,0  nm,  47,5  nm,  62,5  nm,  dan  100,0  nm  dengan  ketebalan lapisan  Cu  konstan  sebesar  14,4  nm,  berturut -turut  adalah;  59,8  nm,  54,9  nm,  44,1  dan 68,8  nm.  Perm ukaan  dan  hasil  EDAX  lapisan  tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe  terlihat dalam  Gambar  2.  Permukaan  film  terlihat  homogen,  dan  komposisi  film  telah  memenuhi komposisi target sputtering .
Gambar 2 Hasil SEM dan EDAX dari sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe untuk  ketebalan NiCoFe 62,5 nm dan ketebalan Cu 14,4 nm

## 3.1 Pengaruh Ketebalan Lapisan Feromagnetik, NiCoFe
Variasi  nilai  rasio  GMR  lapisan  tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe  yang  diukur  pada  suhu ruang terhadap ketebalan lapisan NiCoFe, diperlihatkan dalam Gambar 3. Dalam Gambar 3
juga  terlihat  bahwa  ketebalan  lapisan  NiCoFe  mempengaruhi  nilai  rasio  GMR  dan  medan saturasi. Semakin tebal lapisan NiCoFe, makin kecil medan  saturasi,  yang  ditandai  dengan kurva  rasio  GMR  yang  makin  runcing.  Dalam  struktur sandwich ,  kecilnya  nilai  rasio  GMR saat ketebalan NiCoFe rendah, kemungkinan disebabkan oleh  hamburan pada permukaan luar  seperti  antarmuka  substrat-film  atau buffer  layer .  Hamburan  ini  mempengaruhi  nilai GMR saat ketebalan  lapisan feromagnet lebih kecil dibanding panjang lintasan bebas rata - rata  yang  berhubungan  dengan  elektron  ber-spin  ke  atas  dan  spin  ke  bawah.  Ketika ketebalan  NiCoFe  makin  besar  (di  atas  62,5  nm)  nilai  rasio  GMR  berkurang.  Hal  ini kemungkinan dapat dijelaskan dengan munculnya daerah tidak aktif dalam lapisan NiCoFe yang  akan  men- shunting arus,  sehingga  mengurangi  rasio  GMR.  Grafik  ketebalan  NiCoFe terhadap  rasio  GMR  diperlihatkan  dalam  Gambar  4.  Terlihat  dalam  Gambar  4  bahwa  nilai rasio  GMR  maksimum  diperoleh  pada  ketebalan  NiCoFe  sebesar  62,5  nm.  Posisi maksimum  ini  diasumsikan  berhubungan  dengan  letak  pusat  hamburan  bergantung  spin dalam lapisan feromagnetik [2].
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Medan Magnet (kOe) R a s io G M R ( % ) t = 40,0 nm NiCoFe t = 47,5 nm NiCoFe NiCoFe NiCoFe t = 100,0 nm t = 62,5 nm
Gambar 3 Kurva Rasio GMR dari sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe untuk beberapa variasi ketebalan NiCoFe dengan ketebalan Cu tetap 14,4 nm.
Gambar 4 Variasi ketebalan lapisan NiCoFe terhadap rasio GMR dari sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe

## 3.2 Pengaruh Ketebalan Lapisan Non Magnetik, Cu
Nilai rasio GMR lapisan tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe sebagai fungsi ketebalan lapisan non magnetik Cu, diperlihatkan dalam Gambar 5. Terlihat bahwa medan saturasi dari kurva GMR berkurang dengan bertambahnya ketebalan Cu.  Hal ini kemungkinan teramati karena adanya reduksi interaksi dipole-dipol diantara lapisan NiCoFe.
Variasi  nilai  rasio  GMR  terhadap  ketebalan  lapisan  pemisah  Cu  diperlihatkan  dalam Gambar  6.  Secara  um um,  perilaku  rasio  GMR  terhadap  ketebalan  lapisan  pemisah  non magnetik menunjukkan adanya osilasi. Osilasi tersebut menggambarkan osilasi pertukaran kopling  diantara  keadaan  feromagnetik  dan  antiferomagnetik.  Osilasi  ini  disebabkan  oleh osilasi dalam  tanda dari kopling pertukaran interlayer diantara lapisan -lapisan feromagnetik penyusun  material  GMR  [7].  Terlihat  pula  bahwa  puncak  osilasi  meluruh  secara eksponensial mengikuti persamaan (3).
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Medan Magnet (kOe) R a s io G M R ( % ) t = 24,0 nm Cu t = 72,0 nm Cu Cu t = 33,6 nm t = 14,4 nm Cu
Gambar 5 Kurva Rasio GMR dari sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe untuk  beberapa variasi ketebalan Cu dengan ketebalan NiCoFe tetap 62,5 nm
Gambar 6 Variasi ketebalan lapisan Cu terhadap rasio GMR dari sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe

## 4 Kesimpulan
Telah berhasil ditumbuhkan material  sensor  GMR berstruktur sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe dengan  metode Opposed  Target  Magnetron  Sputtering (OTMS)  di  atas  substrat  Si  (100). Nilai  rasio magnetoresistance dari  sampel  sangat  dipengaruhi  oleh  ketebalan  lapisan feromagnetik,  NiCoFe  maupun  ketebalan  lapisan  non  magnetik,  Cu.  Dalam  penelitian  ini, nilai rasio  GMR maksimum sekitar 70% pada suhu ruang diperoleh pada ketebalan NiCoFe 62,5  nm  dan  ketebalan Cu 14,4  nm.  Dengan  demikian,  lapisan  tipis sandwich NiCoFe/Cu/NiCoFe yang telah dikembangkan ini, berpotensi untuk dijadikan sensor medan magnet.

## 5 Ucapan Terimakasih
Penulis pertama mengucapkan terimakasih kepada DP2M Dikti, Mendiknas Indonesia, atas dana  penelitian  yang  diberikan  melalui  Hibah  Disertasi  Doktor  dengan  kontrak:  No. 501/SP2H/PP/ DP2M/VI/2010.

## 6 Referensi
[1] M.N. Baibich, J.M . Broto, A. Fert, F. N guyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet,
A.  Friederich  and  J.  Chazelas,  “Giant  Magnetoresistance  of  (001)Fe /(001)Cr Magnetic Superlattices”, Phys. Rev. Lett., Vol. 61, 2472;2475 (1988).
[2] Tsymbal  E.Y.,  and  D.G.  Pettifor,  (2001):  Perspective  of  Giant  Magnetoresistance, Published in Solid  State Physics, ed. By H.  Ehrenreich dan F.  Spaepen, 56, Academic Press, pp.113-237.
[3] B.Dieny,  P.Humbert,  V.S.Speriosu,  S.Metin,  B.A.Gurney,  P.Baum gart,  and  H.Lefakis, Phys.Rev.B 45, 806 (1992).
[4] B.Dieny, J.Magn.Mag.Mat. 136, 335 (1994).
[5] M.  Djamal,  Ramli,  Yulkifli,  Kadek  J.  Parwanta,  and  I.  Andriana,  “Deposition  of Ferromagnetic  (FM)  and  non-magnetic  (NM)  Thin  Film  Using  Sputtering  Method  for GMR Material” Proceedings of the  Second  International Conference on Mathematics and Natural Science (ICMNS 2008), Bandung, October, 28-30, 2008.
[6] Suryanarayana.C dan M. Grant Norton, 1998, X-Ray Diffraction, A Practical Approach, Plenum Press, New York.
[7] Tripathy,  D and A.  O. Adeyeye, “Effect of spacer layer thickness on the magnetic and magnetotransport  properties  of  Fe 3 O 4 /Cu/Ni 80 Fe 20 spin  valve  structures”  Phys.  Rev. B 75, 012403 (2007).