makalah antiferromagnetik

8/10/2019 makalah antiferromagnetik

1/19

1

I.

PENDAHULUAN

Di antara kita pasti pernah menemukan lempeng logam keras yang dikenal

dengan magnet. benda tersebut dapat menarik potongan besi, paku, peniti, dan

berbagai benda lain yang terbuat dari besi. lempengan logam ini ternyata

dikelilingi oleh sebuah efek seperti efek halo(lingkaran cahaya di sekeliling

matahari atau bulan) yang dikenal dengan medan magnet. potongan besi atau

benda-benda lain yang terbuat dari besi akan tertarik oleh magnet saat benda-

benda tersebut berada di dekat medan magnet.Seperti yang telah diketahui bersama dalam pembahasan mengenai solid

state atau lebih dikenal sebagai zat padat, kita mengetahui adanya klasifikasi

bahan berdasarkan sifat kemagnetannya.

Dan sifat kemagnetan ini dibagi menjadi beberapa bagian secara garis besar,

yakni Diamagnetik (yang sebenarnya termasuk ke dalam material non magnetik),

Paramagnetik, Ferromagnetik, Ferrimagnetik, dan Antiferromagnetik.

Gambar 1Klasifikasi unsur berdasarkan sifat kemagnetannya

Sebetulnya pada makalah ini akan difokuskan kepada satu pembahasan saja

yakni mengenai bahan antiferromagnetik. Namun sebelumnya alangkah baiknya

apabila diketahui secara umum terlebih dahulu mengenai perbedaan di setiap jenis

bahan magnet.
http://hardiananto.files.wordpress.com/2010/06/screen-shot-2010-05-10-at-7-41-02-am1.png


2/19

2

Parameter umum yang dapat dilihat dalam membedakan klasifikasi bahan

berdasarkan sifat kemagnetan ini adalah momen dipol magnetnya, serta

suseptibilitasnya. Berikut ini diberikan perbedaan momen dipol magnetik dari

berbagai bahan.

Gambar 2 Perbedaan suseptibilitas dan momen dipol magnet pada setiap jenis bahan

magnet

Gambar 2.1 kurva suseptibilitas terhadap suhu berbagai sifat bahan magnet
http://hardiananto.files.wordpress.com/2010/06/screen-shot-2010-05-06-at-7-14-53-pm.pnghttp://hardiananto.files.wordpress.com/2010/06/screen-shot-2010-05-06-at-7-14-53-pm.png


3/19

3

II. KARAKTERISTIK BAHAN ANTIFERROMAGNETIK

Anti Ferromagnetik, yaitu bahan yang mempunyai susceptibilitas positif

yang kecil pada segala suhu dengan perubahan susceptibilitas suhu karena

keadaan khusus.

Gambar 4 Susunan momen dipol magnet serta kurva 1/ vs TN

Gambar5 Kurva Magnetisasi Bahan Antiferomagnetik

Pada T < TN, bahan antiferromagnetik membentuk suatu struktur domain-

domain momen magnet, sehingga suseptibilitasnya bergantung pada sejajar atau

tegak lurus medan magnet luar.

Bahan antiferromagnetik dapat digambarkan oleh struktur kristal dengan

kisi-kisi yang diisi oleh dua jenis atom dengan momen magnet yang berlawanan

arah (anti paralel). Jika tidak ada medan magnet luar, besarnya momen magnet

yang anti-paralel akan seimbang sehingga magnetisasi total sama dengan nol

(M=0). Berbagai senyawa oksida, sulfida dan klorida digolongkan dalam
http://hardiananto.files.wordpress.com/2010/06/screen-shot-2010-05-07-at-5-59-18-am.pnghttp://hardiananto.files.wordpress.com/2010/06/screen-shot-2010-05-07-at-5-59-18-am.png


4/19

4

antiferomagnetik, termasuk diantaranya adalah nikel-oksida (NiO), fero-sulfida

(FeS), MnF2, kobalt-klorida (CoCl2) serta MnO dll.

Gambar 6 Representasi skematik susunan antiparalel momen magnet untuk

antiferomagnetik Mangan Oksida (MnO)

Gambar 7 Kondisi momen dipol magnet saat ada medan magnet luar pada Bahan

Antiferomagnetik

Bahan antiferromagnetik pertama kali ditemukan pada tahun 1938 oleh

Bizette, Squire, dan Tsai ketika bekerja menggunakan Mangan Oksida yang

memiliki temperatur Curie dari 116 K hingga 120 K. Namun Neel dan Bitter telah

mempresentasikan lebih awal mengenai bahan antiferromagnetik secara teoritis,

dan Van Vleck pertama kali mendapatkantreamentpaling detail mengenai hal ini.Bahan yang menunjukkan sifat antiferromagnetik, momen magnetik atom atau

molekul, biasanya terkait dengan spin elektron yang teratur dalam pola yang

reguler dengan tetangga spin (pada sublattices berbeda) menunjuk ke arah yang

berlawanan. Hal ini seperti ferromagnetik dan ferrimagnetik, suatu bentuk dari

keteraturan magnet. Umumnya, keteraturan antiferromagnetik berada pada suhu

yang cukup rendah, menghilang pada dan diatas suhu tertentu. Suhu Neel adalah


5/19

5

suhu yang menandai berubahan sifat magnet dari antiferromagnetik ke

paramagnetik. Diatas suhu Neel bahan biasanya bersifat paramagnetik.

III. TEMPERATUR NEEL

Seperti yang sudah disebutkan sebelumnya bahwa sifat antiferomagnetik ini

terjadi pada suhu tertentu, yang disebut dengan Temperatur Neel, dimana sifat

antiferromagnetik terjadi dibawah suhu Neel. Jika dipanaskan diatas temperatur

kritis (Temperatur Nel, TN), bahan antiferromagnetik dan bahan ferrimagnetik

akan berubah menjadi bahan paramagnetik. Bahan magnet jenis ini memiliki

temperature curie yang rendah sekitar 37C untuk menjadi paramagnetik.

Temperatur Nel ini analogis dengan temperatur Curie pada feromagnetik.

Bila diketahui berapa besar konstanta Curie pada suatu bahan

antiferomagnetik, maka dapat diperkirakan besar temperatur Nel bahan dengan

menggunakan pendekatan :

TN= C

dimana adalah sublattice tunggal. Konstanta Currie tersebut sendiri

merupakan nilai properties material yang menggambarkan kebergantungan

suseptibilitas magnetik dengan temperatur. Suseptibilitasnya tidak terbatas pada

=, namun memiliki puncak yang lemah.

Gambar 8. Kebergantungan suhu dan suseptibilitas magnetik pada paramagnetik,

feromagnetik, dan antiferomagnetik.


6/19

6

Gambar diatas menunjukkan bahwa setiap perhitungan suseptibilitas akan

bergantung pada suatu konstanta Curie. Dibawah temperatur Nel, spin

antiferomagnetik memiliki orientasi antiparalel, suseptibilitasnya maksimum pada

temperatur Nel disini terlihat jelas dalam grafik terhadap . Suseptibilitas

bahan antiferomagnetik dapat digambarkan dengan:

:Temperatur Nel paramagnetik: Konstanta Curie

Jika dibandingkan dengan bahan feromagnetik, maka jelas bahwa < .

Pada < , bahan antiferomagnetik membentuk suatu struktur domain-domain

momen magnet, sehingga suseptibilitasnya bergantung pada sejajar atau tegak

lurus medan magnet luar. Bahan antiferomagnetik yang mengalami cacat kristal

akan mengalami medan magnet kecil dan suseptibilitasnya seperti bahan

paramagnetik tetapi harganya naik sampai dengan titik Curie kemudian turun lagi

menurut hukum Curie-Weiss.

Dibawah ini adalah tabel kristal antiferromagnetik :


7/19

7

Menghitung Suseptibilitas Dengan TN

Temperatur neel selain sebagai parameter apakah suatu bahan sudah bersifat

antiferromagnetik atau bukan, ternyata temperatur ini juga berguna untuk

menghitung suseptibilitas bahan antiferromagnetik.

Persamaan untuk mencari nilai suseptibilitas pada bahan feromagnetik yakni :

Gambar 9 Skema susunan spinspin pada bahan antiferromagnetik yang dibagimenjadisublatticeA dansublatticeB

Berbeda dengan bahan feromagnetik, untuk antiferomagnetik konstanta

Curie pada sublattice A dan B adalah sama nilainya (=), sehingga

persamaan suseptibilitasnya menjadi:

Selain itu kita juga dapat menghitung nilai suseptibilitas antiferromagnetik dengan

hubungan temperatur Currie paramagnetik yaitu


8/19

8

: Temperatur Curie Paramagnetik

1 : Konstanta medan molekular intrasublattice

2 : Konstanta medan molekular intersublattice

Dari akan diperoleh informasi bahwa, =2. Nilai

temperatur Curie 0 dan 2


9/19

9

Pada suhu Neel, suseptibilitas sejajar dan tegak lurus magnetisasi memiliki

nilai sehingga suseptibilitas totalnya bernilai maksimum, seperti yang ditunjukkan

kurva dibawah ini.

Gambar 10 Grafik suseptibilitas terhadap suhu dan sketsa easy magnetization direction

Pada saat suhu Neel, nilai suseptibilitas bahan antiferromagnetik adalah

maksimum karena suseptibilitas pada bahan antiferromagnetik bergantung pada

arah sudut magnetisasi, terdapat dua arah orientasi suseptibilitas yang mungkin

terjadi pada kristal bahan anti ferromagnetik yaitu :

Medan tegak lurus magnetisasi : Suseptibilitas bernilai konstan

dibawah temperatur Neel.

Gambar 11medan tegak lurus magnetisasi\

Untuk yang arah medan aplikasinya tegak lurus terhadap easy

magnetization direction, maka besar magnetisasi yang terjadi, yaitu:=(+)sin=2sin

2sin=/2

==1/2

=1/|2|

Namun bila medan aplikasi membentuk sudut terhadap easy magnetization

direction, maka besar magnetisasi yang terjadi menjadi:

=.=cos


10/19

10

=.=sin

=cos+sin=(cos)2

+(sin)2

Medan paralel terhadap magnetisasi : Suseptibilitas cenderung bernilai

nol pada 0 K, karena pada 0 K subkisi secara sempurna tidak sejajar (anti-

aligned), dan tidak adanya fluktuasi termal.

Gambar 12 Medan paralel terhadap magnetisasi

suseptibilitas diperoleh dengan merata-ratakan semua kemungkinan orientasi.

Polycristaline antiferromagnetic

Pada polikristalin antiferomagnetik, nilai suseptibilitas tidak hanya

bergantung pada arah medan aplikasi, tetapi juga temperatur bahan. Nilai

suseptibilitas dengan medan aplikasi searah dan tegak lurus, sama dengan

menggunakan perhitungan pada suseptibilitas yang kristalin.

==pada =

=

pada =0

Difraksi Neutron

Salah satu cara untuk menentukan momen magnetik secara klasik adalah

dengan menggunakan refleksi neutron atau difraksi neutron. Difraksi neutron

merupakan lenturan yang terjadi pada neutron yang dianggap sebagai gelombang

dengan riak gelombang yang diberikan oleh rumus de broglie, gejala yang terkait

dengan proses interferensi yang muncul bila neutron dihamburkan oleh atom

didalam zat padat, zat cair atau gas, juga disebut pelenturan neutron. Proses ini

memungkinkan suatu teknik untuk meneliti fenomena zat padat . prinsip kerjanya,


11/19

11

Sumber proton ditembakkan pada atom berat, terjadi reaksi inti yang

menghasilkan 20-30 neutron yang kemudian mengenai sampel.

Ada dua macam interaksi yang terjadi pada hamburan neutron oleh atom

yaitu interaksi antara neutron dengan inti atom dan interaksi antara momen

magnet elektron dengan momen magnet spin dan momen magnet orbital atom.

Interaksi yang kedua ini telah memberikan informasi yang berharga mengenai

bahan antiferomagnetik dan ferimagnetik. Interaksi neutron dengan inti atom

memberikan pola difraksi yang berlawanan dengan hasil difraksi sinar X. Sinar X

yang berinteraksi dengan elektron luar inti, tidak sesuai untuk menyelidiki unsur-

unsur ringan (seperti hidrogen), sedangkan neutron menghasilkan pola difraksi

atom-atom tersebut karena berinteraksi dengan inti. Interaksi neutron dengan

materi yang mungkin terjadi adalah

Hamburan neutron elastis: memberikan dua tipe puncak difraksi.

Hamburan inkoheren: besarnya hamburan tergantung pada orientasi antara

spin inti dengan spin neutron.

Hamburan neutron inelastis: hamburan koheren yang menghasilkan pola-

pola difraksi dengan interferensi.

Neutron memiliki sifat-sifat yang menjadikannya sebagai "probe" yang ideal

untuk menginvestigasi karakteristik bahan/material. Sifat-sifat tersebut adalah:

1. Netral (muatan listrik Q = 0). Konsensekuensinya, neutron memiliki daya

tembus yang besar, tidak merusak materi yang dikenainya, dan dapat

digunakan pada sampel-sampel dengan kondisi lingkungan yang keras

(severe environments).

2.

Neutron memiliki panjang gelombang (teorema dualisme partikel-

gelombang de Broglie). Panjang gelombang neutron (termal) berorde sama

dengan jarak antar atom. Konsenkuensinya, neutron dapat digunakan

untuk menentukan struktur kristal dan jarak antar bidang-bidang atom.

Karena netral, maka neutron hanya berinterkasi dengan inti atom dan tidak

terhalang oleh elektron-elektron atom. Dengan kata lain neutron dapat

"melihat" inti atom. Konsekuensinya, neutron sensitif terhadap atom-atom

ringan, mampu membedakan isotop-isotop suatu atom, dan dapat


12/19

12

membedakan struktur molekul kompleks (menggunakan teknik variasi

kontras).

3. Energi neutron termal berorde relatif sama dengan energi-energi eksitasi

elementer pada zat padat. Konsekuensinya, neutron dapat digunakan untuk

mempelajari dinamika atom/kisi - lattice dynamics (phonon) maupun

dinamika molekul - molecular dynamics.

4. Neutron memiliki momen magnetik. Konsekuensinya, neutron dapat

digunakan untuk mempelajari struktur magnetik mikroskopik dan fluktuasi

magnetik.

5. Neutron memiliki spin. Konsekuensinya, berkas neutron dapat dipolarisir

sehingga dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik kompleks

maupun dinamika magnetik (magnon).

Menentukan Momen Magnetik Dengan Refleksi Neutron

Salah satu cara untuk menentukan momen magnetik secara klasik adalah

dengan menggunakan refleksi neutron, contohnya adalah MnO yang memiliki

struktur seperti NaCl. Dengan cara ini akan diamati refleksi pancaran neutron yang

terjadi pada setiap kisi dengan sudut hamburan tertentu. Dari informasi-informasi

yang didapatkan, akan diperoleh besar konstanta kisi dan bentuk kisi dari bahan

magnetik tersebut. Selain itu pula dapat dibuat grafik intensitas terhadap sudut

hamburan dari setiap bidang kristal berdasarkan indeks millernya, seperti pada

gambar dibawah ini.


13/19

13

Gambar 13Pola difraksi neutron dari MnO

Sebenarnya, dua perlakuan suhu yang diberikan salah satunya berada di

bawah temperatur Nel dan satunya lagi di atas temperatur Nel. Neutron akan

mengamati keadaan spin yang searah dan memberikan informasi sebagai besaran

konstanta kisi dalam skala amstrong. Pada suhu 80 K dapat diklasifikasikan

dengan hubungan unit sel berupa kubik dengan konstanta kisi sebesar 8,85 .

Sedangkan pada suhu 293 K refleksi memberi informasi bahwa unit sel berbentuk

fcc dengan konstanta kisi sebesar 4,43 .

Tetapi dengan X-ray, baik pada suhu 80 K dan 293 K diperoleh konstanta

kisi yang sama yaitu 4,43 . Sebagai kesimpulannya parameter kisi unit cell

sebenarnya bernilai 4,43 , tetapi pada suhu 80 K, ion Mn2+ tersusun secara

nonferomagnetik. Bila tersusun secara feromagnetik seharusnya terjadi nilai

refleksi yang sama.

Gambar 14.Perputaran ion Mn2+ dalam MnO sebagaimana yang ditentukanoleh difraksi neutron

Dari gambar di atas dapat diperhatikan bahwa spin pada single plane [111]

adalah paralel, tetapi yang bersebelahan dengan daerah single plane tersebut adalah

antiparalel. Susunan spin tetap dengan hasil difraksi neutron dan dengan pengukuran

magnetik. Oleh karena itu bahan MnO merupakan antiferomagnetik. Spin

antiferomagnetik akan tersusun antiparalel dengan momen magnet total bernilai nol

pada suhu di bawah temperatur Nel.


14/19

14

Gambar 15.Urutan spin pada feromagnetik (>0) dan antiferomagnetik (


15/19


16/19

16

bahan magnetik untuk mempercepat kecepatan tulis, meskipun perubahan dalam

orientasi magnetik mengambil jumlah waktu yang sama. Pada umumnya,

teknologi hard driveberdasarkan pembalikan orientasi pada bahan magnet. Ketika

medan aplikasi diberikan pada bahan magnet, maka spin elektron akan mulai

berputar. Kecepatan presesi dan waktu yang dibutuhkan untuk flip spin elektron

sebanding dengan kekuatan medan magnet. Medan aplikasi yang lebih besar

menyebabkan spin lebih cepat berputar untuk presesi. Namun demikian, medan

aplikasi yang terlalu besar dapat merusak keteraturan spin magnet (merusak

magnet).

Seperti yang telah diketahui, bahan antiferromagnetik memiliki dua kelompok

atom (spin). Spin spin tersebut memiliki besar yang sama tetapi memiliki arah

yang berbeda. Putaran/getaran spin pada antiferromagnetik berperilaku seperti

memiliki inersia, yang berarti walaupun medan aplikasi tidak ada lagi, spin masih

tetap berosilasi dan berputar. Dinamika material dapat diamati dengan

memvariasikan waktu antara pulsa magnetik dan pengukuran pulsa. Flip spin

memerlukan waktu beberapa picosecond, sedangkan spin terus berosilasi di

sekitar orientasi baru untuk sekitar 100 picoseconds ketika medan aplikasi

dihilangkan. Ini adalah sesuatu yang tidak pernah diamati pada ferromagnets dan

hanya bisa terjadi jika spin memiliki semacam inersia dan waktu yang diperlukan

untuk spin melakukan flip. Kelebihan ini menyebabkan medan magnet aplikasi

hanya perlu diberikan untuk 100 femtosekon pertama yang akan menyebabkan

kecepatan menulis bisa jauh lebih cepat.

Gambar 17. Hard disk, salah satu contoh aplikasi bahan antiferomagnetik

4.3

Katup Spin


17/19

17

Salah satu kegunaan bahan antiferomagnetik adalah katup spin (spin value),

karena adanya fenomena yang dinamakan pertukaran anisotropik (exchange

anisotrophy) atau kopling exchange-bias. Exchange anisotrophy pertama kali

diteliti lebih dari 50 tahun yang lalu dalam sebuah partikel singgel dominan

(berdiameter 100 1000 A) Co (bahan feromagnetik) yang dilapisi dengan

antiferomagnetik CoO. Sampel Co atau CoO tersebut didinginkan pada medan nol

dan memiliki histeresis tergeser (shifted hysteresis loop). Secara keseluruhan,

koersivitas dinaikkan dan dibandingkan dengan sampel zero fieldcooled dan

magnitudenya berbeda untuk medan yang dinaikan dan diturunkan. Perbedaan

koersivitas dari medan maju dan balik diaplikasikan pada sistem exchange-bias

yang digunakan pada aplikasi katup-spin (spin-value) modern untuk meletakan

arah magnetisasi dari lapisan feromagnetik. Lapisan yang diletakan tersebut

dikopling kepada lapisan feromagnetik kedua yang dapat merubah orientasi

magnetisasinya dalam respon terhadap medan luar. Resistansi dari devais bernilai

kecil jika lapisan feromagneik disejajarkan pada arah yang sama dan bernilai

tinggi jika mereka disejajarkan pada arah berlawanan. Oleh karena itu, devais

tersebut dapat digunakan sebagai sensor medan magnetik sensitif atau aplikasi

media penyimpanan.


18/19

18

Gambar 18Skema dari partikel core-shellyang berisi inti feromagnetik Co dengan kulit

antiferomagnetik CoO disekelilingnya

Gambar 20.Skema loop histeresis padasebuah sistem dengan pertukaran anisotropik

Gambar 19.Exchange bias muncul ketika

sistem FM/AFM didinginkan dalam medan

magnet melalui suhu Nel antiferomagnetik.

Lapisan atas adalah bahan feromagnetik,

seperti Co dan lapisan bawah adalah bahan

antiferomagnetik, seperti CoO. Arah panah

menggambarkan momen magnetik pada ionlogam transisi baik dalam ferro dan

antiferromagnet. Lingkaran adalah anion,

seperti oksigen.


19/19

makalah antiferromagnetik

Documents