makalah superparamagnetik

http://nalinsumarlin.blogspot.com

1 | S U P E R P A R A M A G N E T I K

MATERIAL MAGNETIK DASAR

“SUPERPARAMAGNETIK”

OLEH :

SUMARLIN M.

F1B1 08 009

PROGRAM STUDI FISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS HAULUOLEO

KENDARI

2011



BAB I

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Secara umum suatu material berdasarkan sifat kemagnetannya dapat dikelompokkan menjadi

tiga bagian yaitu diamagnet, paramagnet, dan ferromagnet. Superparamagnet adalah material

yang mirip dengan paramagnet tetapi mengandung juga sifat material ferromagnet atau

mengadung domain magnet dalam ukuran kecil yang berbentuk kelompok (cluster) seperti

crystallite.

Sifat superparamagnet timbul pada material yang berukuran kecil (1-10 nm). Dalam kondisi

dibawah temperatur Curie, energi termal tidak cukup memisahkan interaksi gaya antara atom-

atom tetapi hanya cukup untuk mengubah arah magnetisasi di dalam domain tersebut. Proses ini

menyebabkan medan magnet menjadi nol dan material akan menyerupai material paramagnet.

Tujuan

Memaparkan konsep – konsep sederhana seputar superparamagnetik termasuk implikasi dari

sifatnya terhadap kebutuhan akan perkembangan teknologi di masa depan.



BAB II

PEMBAHASAN

Defenisi Superparamagnetik

Superparamagnetisme adalah salah satu bentuk magnetism, yang tampak pada feromagnetik

kecil atau partikel nano ferimagnetik. Dalam partikel nano, magnetisasi dapat secara acak

berbalik arah dibawah pengaruh suhu. Waktu antara dua balikan ini disebut waktu relaksasi

Neel. Dengan tidak adanya medan magnetic eksternal, ketika waktu yang digunakan untuk

mengukur magnetisasi partikel nano lebih lama dibandingkan waktu relaksasi Neel, maka

magnetisasinya tampak menjadi rata-rata nol; keadaan ini disebut keadaan superparamagnetik.

Pada keadaan ini, medan magnetic eksternal dapat memagnetisasi partikel-partikel nano, serupa

dengan paramagnet. Tetapi, suseptibilitas magnetiknya lebih besar disbanding satu paramagnet.

Lebih jelas di tampilkan pada gambar di bawah ini:



Gambar Kurva magnetisasi Feromagnetik (N=∞), superparamagnetik (N=400), dan

paramagnetic (N=1) pada suhu T = 270 K. Garis putus-putus menunjukkan interaksi rantai spin

Ising

Gambar di atas menunjukkan kurva kesetimbangan magnetisasi feromagnetik, paramagnetic, dan

superparamagnetik. Jumlah N atom pada daerah superparamagnetik diperoleh dari kemiringan/

lekukan medan nol loop hysteresis. N = kBT(∂M/∂H) / μFeμoMo, dimana Mo merupakan

magnetisasi saturasi. N = 1, yang merupakan paramagnetisme sederhanan, memiliki kurva

megnetisasi yang rata, sedangkan N = ∞ merupakan fungsi naik. Magnet-magnet makroskopik,

dimana N sangat besar, memiliki kemiringan medan nol yang terbatas. Inhomogenitas dalam

lapisan ultra tipis, seperti segitiga submonolayer dari besi fcc pada Cu (111), memiliki volume

sekitar 50 nm3, yang mengindikasikan relevansi superparamagnetik.

Tinjauan lain, sifat-sifat magnetic dari Material berstruktur Nano (superparamagnetik) dapat di

lihat dari segi pengaruh ukuran materialnya.

Sifat-sifat Magnetik dari Material berstruktur Nano :



Superparamagnetisme :

Magnetisasi saturasi tinggi Ms. Tidak ada remanence MR = 0

Evolusi data magnetiknya, di tampilkan pada grafik berikut:



Relaksasi Neel pada medan magnetik

Secara normal, material feromagnetik atau ferimagnetik tertentu mengalami transisi ke keadaan

paramagnerik diatas suhu Curienya. Superparamagnetisme berbeda dari transisi standar ini

karena materialnya bersuhu dibawah suhu Curie.

Superparamagnetik terjadi pada partikel-partikel nano dengan domain tunggal, misalnya terdiri

dari domain magnetic tunggal. Hal ini adalah mungkin ketika diameternya dibawah 3 – 50 nm,

bergantung pada bahannya. Pada kondisi ini, magnetisasi partikel-partikel nano dalam momen

magnetic tunggal besar, jumlah keseluruhan momen magnetic individu dibawa oleh atom-atom

dari partikel-partikel nano tersebut. Hal ini lah dimana orang-orang yang bekerja pada medan

superparamagnetisme menyebutnya “aproksimasi spin makro”.

Data Magnet :



Memiliki rata-rata jumlah partikel / bit yang besar :

Perubahan yang tidak konsisten

Pemisahan secara acak:

Variasi ukuran

Variasi koersivitas

Variasi struktur domain

Min 1000 partikel / 1 bit => 0.15 Gbit / cm2

Tujuan utama : 1 partikel / bit => 10 – 37 Gbit / cm2.

Solusi-solusi untuk mengurangi ukuran bit :

Anisotropi kristalin yang besar => semakin tinggi penghalang pengubah.

Nanopartikel domain tunggal => semakin tinggi Ms, semakin tinggi Hc

Struktur multilapisan => mengendalikan orientas segregasi

Recording yang tegak lurus => medan demagnetisasi tidak mendestabilisasi domain-

domain yang tercatat.

Deretan dot domain tunggal terisolasi dihasilkan oleh litografi e-beam => sifat-sifat

switching yang seragam.

Dikarenakan anisotropi magnetic partikel-partikel nano tersebut, momen magnetiknya biasanya

hanya dua orientasi antiparalel stabil satu dengan yang lain, yang dipisahkan oleh hambatan

energy (barrier energy). Orientasi stabil mendefinisikan partikel-partikel nano yang disebut

“sumbu sederhana” .



Pada suhu tertentu, ada probabilitas tertentu dari magnetisasi untuk berbalik dan berlawanan

dengan arahnya. Waktu antara dua balikan ini disebut waktu relaksasi Neel dan dinyatakan den

gan persamaan Neel-Arrhenius berikut ini.

,

dimana :

τN adalah panjang waktu rata-rata pada saat magnetisasi pastikel-partikel nano berbalik

secara acak sebagai akibat dari fluktuasi termal.

τ0 adalah panjang waktu, karakteristik dari material, yang disebut waktu coba atau

periode coba; nilainya sekitar 10^-9 – 10^-10 sekon

K adalah densitas energy anisotropi magnetic partikel-partikel nano dan V adalah

volume. KV adalah hambatan energy yang berhubungan dengan perubahan magnetisasi

dari arah sumbu sederhana awal kea rah sumbu sederhana lainnya.

kB adalah konstanta Boltzmann

T adalah suhu.

Panjang waktu ini dapat bernilai beberapa nanosekon hingga tahunan atau bahkan lebih lama

lagi. Hal ini dapat dilihat bahwa waktu relaksasi Neel merupakan fungsi eksponensial dari grain

volume, yang menjelaskan mengapa probabilitas pembalikan menjadi terabaikan untuk material

berukuran besar atau partikel nano berukuran besar.



Magnetisasi dari partikel nano superparamagnetik tunggal

Untuk pengukuran laboratorium, nilai logaritma pada persamaan sebelumnya berorde 20 – 25.

Efek medan magnet

Fungsi Langevin (garis merah), berbanding tanh (x/3) (garis biru)

Ketika medan magnet eksternal diaplikasikan pada partikel-partikel nano superparamagnet,

momen magnetnya cenderung berderet sepanjang medan tersebut, yang membentuk jarring

magnetisasi. Kurva magnetisasi dengan magnetisasi sebagai fungsi medan, adalah fungsi naik

bentuk S. Fungsi ini cukup kompleks tetapi untuk beberapa kasus sederhana :



1. Jika semua partikel sama (hambatan energy dan momen magnetic sama), maka

sumbu sederhananya terorientasi secara parallel terhadap medan dan suhu yang cukup

tinggi, sehingga magnetisasi menjadi :

.

2. Jika semua partikel sama dan suhu cukup tinggi (), maka, mau tidak mau, orientasi

sumbu sederhana :

Dari persamaan diatas :

n adalah densitas partikel-partikel nano dari sampel.

μ0 adalah permeabilitas magnetic vakum.

μ adalah momen magnet dari partikel nano.

L(x) = 1 / tanh(x) − 1 / x adalah fungsi Langevin

Kemiringan awal dari fungsi M(H) merupakan suse[tibilitas magnetic untuk sampel x :

dalam kasus pertama

dalam kasus kedua



Hal ini dapat terlihat dari persamaan-persamaan tersebut bahwa semakin besar partikel-partikel

nano semakin besar pula μ dan semakin besar juga suseptibilitasnya. Hal ini menjelaskan

mengapa partikel-partikel nano superparamagnetik memiliki suseptibilitas yang lebih besar

disbanding paramagnet standar; mereka bersifat tepat seperti paramagnet dengan momen

magnetic yang sangat besar.

Kebergantungan waktu magnetisasi

Dalam praktiknya, kita perlu membedakan antara superparamagnetisme dalam pengertian yang

sempit, yang dikarakterisasi oleh tidak adanya hysteresis, dan superparamangetik terblok

termasuk anisotropi magnetokristalin K1. Bandingkan, misalnya partikel-partikel kecil

feromagnetik dengan volume V yang magnetisasi medan nolnya adalah M = Mz, sama dengan

Mo pada waktu t = 0.

Waktu relaksasi bervariasi antara beberapa mikrosekon untuk partikel-partikel besi ultrakecil dan

beberapa juta tahun untuk cuplikan kecil dari oksida besi pada sebuah batuan. Tetapi, skala

waktu tersebut hanyalah perbedaan antara superparamagnetisme terblok dan tak terblok,

mengingat magnetisasi spontan suatu feromagnet tidak berkurang pada suatu waktu tertentu

Tidak ada kebergantungan waktu magnetisasi ketika partikel-partikel nano terblok atau

superparamagnetik. Dalam hal ini, kebergantungan frekuensi suseptibilitas dapat diamati. Untuk

sebuah contoh terorientasi acak, suseptibilitas kompleksnya adalah :



dimana

adalah frekuensi medan

adalah suseptibilitas keadaan superparamagnetik

adalah suseptibilitas keadaan terblok

adalah waktu relaksasi

Dari suseptibilitas bergantung frekuensi ini, ketergantungan waktu magnetisasi untuk medan

kecil dapat ditulis sbb.

Model Ising

Model Ising didefinisikan dengan persamaan Hamiltonian H = ∑i>kJiksisk - h∑isi dimana si= ±1

dan h= NμBμoH biasanya, seseorang mengasumsikan bahwa pertukaran konstanta-konstanta

tersebut mematuhi Jik = J untuk tetangga terdekat dan Jik = 0, tetapi pembatasasn ini tidak

mempengaruhi sifat kualitatif dari magnet.

Inti/kunci dari model Ising adalah tidak adanya eksitasi tegak lurus terhadap sumbu anisotropi.

Energy anisotropi per atom mencapai orde MJ/m3, sebanding dengan suhu eksitasi pada 1 K.

Hanya pada nilai hampiran terdekat dari Tc yang membuat anisotropi menghasilkan sifat Ising

dengan cara merusak kontinuitas simetri model Heisenberg. Tetapi, energy-energi anisotropi dari

superparamgnetik tegak lurus dengan ukuran N, sehingga lapisan tipis superparamagnetik yang



dikarakterisasi oleh anisotropi uniaksial dengan orde 1 MJ/m3 dapat dipandang sebagai magnet-

magnet Ising pada semua suhu.

Model-model yang digunakan dalam materi ini memiliki keuntungan yaitu dapat diperoleh hasil

yang tepat. Interaksi-interaksi magnetostatis dan proses magnetisasi inkoheren pada

superparamagnetik juga dapat diabaikan, tetapi oleh karena kelemahan inheren dari interaksi-

interaksi magnetostatis dalam lapisan ultra tipis membuat asumsi ini menjadi masuk akal. Salah

satu yang menjadi masalah adalah bahwa pertukaran interaksi J antara unit-unit

superparamagnetik dan rata-rata relaksasi hanyalah aproksimasi untuk lapisan sebenarnya. Poin

ini tidak relevan dengan sifat kualitatif magnet tetapi sulit untuk membandingkan prediksi antara

teori dengan data hasil eksperimen.

MAGNETISME LAPISAN ULTRA TIPIS

A. Sesquilayer besi pada W (110).

Lapisan sesquilayer Fe/W(110), yang memiliki ketebalan antara satu dan dua monolayer (lapisan

tunggal). Feromagnetik kopling pada monolayer dan lapisan kedua (second layer) masing-

masing J1 = 4 J dan Jz = zeff J. untuk mengestimasi temperature Curie dari inhomogenitas suatu

lapisan, kita mengasumsikan Jeff = 2 J, sehingga :

푇 =4퐽

푘 ln (1 + √2)



Pengecualian untuk temperature Curie yang berbeda, kurva magnetisasi diperoleh dari solusi

Onsager pada model ini.

Tc lapisan sesquilayer di atas adalah superparamagnetik. Selama Zeff = ∞, menghasilkan jajaran

spin yang sempurna. Jika zeff tertentu, maka superparamagnetisme akan terbatas menjadi suhu

yang rendah antara Tc dan ZeffJ/kB. Dengan mengambil Tc = 300 K dan Zeff = 6, maka

superparamagnetik akan naik hingga mencapai 450 K untuk sesquilayer Fe (110).

B. Submonolayer besi fcc Cu (111)

Deposisi dari lapisan submonolayer besi dan permukaan Cu (111) menghasilkan daerah segitiga

besi (triangular iron island). Sifat dari karakteristik segitiga dari permukaan yang rata adalah

trivial. Di bawah temperature blok Tb, segitiga-segitiga tersebut merupakan superparamagnetik

dengan koersivitas yang dapat diabaikan, dan jika di atas Tb, maka segitiga-segitiga tersebut

adalah superparamagnet dalam arti yang sempit.



Kesimpulannya, kita telah menunjukkan bahwa superparamagnetisme Ising adalah umum pada

mayoritas lapisan ultra tipis. Contohnya adalah sesquilayer dari besi pada W (110), dimana

daerah lapisan kedua adalah superparamagnetik ketika suhunya di atas suhu Curie, dan jalur-

jalur serta segitiga ultra tipis dari besi pada Cu (111) dibawah suhu Curie adalah lapisan

monolayer yang ideal. Superparamagnetisme diabaikan pada solusi Onsager dan teori-teori

renormalisasi, dimana hanya ada satu panjang structural, yaitu konstanta kisi.

Pengukuran

System superparamagnetik dapat diukur dengan pengukuran suseptibilitas AC, dimana medan

magnetic bervariasi terhadap waktu, dan tanggapan magnetic dari system ditentukan. Suatu

system paramagnetic akan menunjukkan karakteristik kebergantungan frekuensi: ketika

frekuensi lebih tinggi dari 1/ , aka nada perbedaan tanggapan frekuensi disbanding ketika

frekuensi lebih rendah dari 1/ . ketepatan kebergantungan dapat dikalkulasi dari persamaan Neel



– Arrhenius, dengan mengasumsikan bahwa rangkaian yang saling berdekatan bersifat tak saling

bergantung satu dengan yang lain.

Pengaruh pada hard drive

Superparamegnetisme membatasi densitas penyimpanan dari drive hard disk oleh karena ukuran

partikel minimum yang dapat digunakan. Batasan ini dikenal dengan batasan superparamagnetik.

Teknologi hard disk yang sudah tua menggunakan perekaman longitudinal, tetapi terbatas

100 hingga 200 Gbit/in2

Teknologi hard disk saat ini menggunakan perekaman longitudinal. Pada Agustus 2010,

hard disk dengan densitas 667 Gb/in2 dikomersialisasikan. Perekaman tegak lurus

diprediksi menjadikan densitas informasi naik hingga 1 Tbit/in2 (1024 Gbit/in2)

Teknologi hard disk masa depan mengembangkan : perekaman magnetic dengan

bantuan panas (HAMR), yang menggunakan bahan stabil pada ukuran yang lebih kecil.

Tetapi, butuh pemanasan sebelum orientasi magnetic satu bit diubah; dan perekaman pola

bit (BPR).

Aplikasi-aplikasi dari Superparamagnetik

Aplikasi dalam bidang Biomedis :

Deteksi : MRI (Magnetic Resonance Imaging) / Penggambaran Resonansi Magnetik

Pemisahan : Sel, DNA, protein, RNA

Pengobatan : hipertermia, magnetofaksi.



Aplikasi-aplikasi lainnya :

Ferrofluid : viskositas yang dapat disesuaikan.

Sensor : sensitivitas tinggi (GMR, BARCIII)

SPION = Superparamagnetic Ion Oxide Nanoparticle (Partikel Nano Oksida Ion

Superparamagnetik)

Pembawa Obat :

Partikel-partikel yang membawa obat dapat diinjeksikan dan dipandu pada tubuh melalui

aplikasi medan eksternal

Ukuran partikel superparamagnetik :

Inti aktif magnetic : 2 -3 nm

Lapisan pelindung (polymer, protein) = 10 nm

Ukuran sel = 10 – 100 μm

Ukuran virus = 20 – 450 nm

Ukuran protein = 5 – 50 nm

Ukuran gen = 2* (10 – 100) nm2



Desain partikel : Pengantaran oleh R => partikel – partikel memasuki sel-sel

Partikel-partikel dapat dikenali oleh organism

Obat dapat dibawa ke partikel

R mempengaruhi racun dalam tubuh organism

Dalam Hyperthemia

Efek terapeutik pada beberapa tipe tumor :

Penyuntikan partikel-partikel superparamangetik berukuran nano

Translokasi partikel-partikel tumor

Penangkatan partikel-partikel nano oleh sel-sel kanker

Aplikasi medan magnet alternative eksternal :

Menyediakan energy untuk momen magnetic untuk mengubah arah magnetisasi

Relaksasi superparamagnetik : disipasi energy => panas

Sel-sel kanker memiliki sensitivitas suhu yang tinggi daripada sel-sel sehat.

Tidak membahayakan trombosit, tidak ada sisa magnetisasi



Dalam Sensor BARC III :

GMR – sensor = sensitivitas tinggi

Aplikasi molekul-molekul reseptor pada GMR dan butir mikro

Solusi dari butir-butir mikro dan molekuk-molekul target

Medan DC untuk membawa butir-butir yang tidak terikut

Medan AC -> magnetisasi butir

Mengukur resistansi listrik dan membandingkannya dengan referensi GMR



BAB III

KESIMPULAN

1. Superparamagnetisme adalah salah satu bentuk magnetism, yang tampak pada

feromagnetik atau ferimagnetik kecil yang terjadi pada partikel-partikel nano dengan

domain tunggal.

2. Ketika medan magnet eksternal diaplikasikan pada partikel-partikel nano

superparamagnet, momen magnetnya cenderung berderet sepanjang medan tersebut, yang

membentuk jarring magnetisasi.

3. Karakteristik dari sifat material superparamagnetik dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan

manusia, diantaranya dalam bidang material elektronika, dunia medis dll.



DAFTAR PUSTAKA

http://en.wikipedia.org/wiki/Superparamagnetism

http://lmis1.epfl.ch/webdav/site/lmis1/shared/.../Superparamagnetism.pdf

http://www-users.york.ac.uk/~yx2/pdf/web13.pdf

makalah superparamagnetik

Documents