simulasi mikromagnetik magnetisasi reversal pada nano-partikel

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA

NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY

Disusun Oleh :

SHIBGHATULLAH MUHAMMADY

M0209050

SKRIPSI

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Januari, 2013


commit to user

SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA

NANO-PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY

Disusun Oleh :


M0209050

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Januari, 2013


commit to user


commit to user

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul

“SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO-

PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan

saya hingga saat ini isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau

ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelas

kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali

telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua

pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau

diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, Januari 2013



commit to user

iv

MOTTO

Tidaklah Allaah –‘Azza wa Jalla- Ciptakan jin dan manusia melainkan untuk

beribadah kepadaNya dengan mentauhidkanNya

Tidaklah Allaah –‘Azza wa Jalla- Ciptakan langit dan bumi, serta seisinya dengan

sia-sia. Semua itu tanda-tanda kekuasaanNya bagi orang yang berfikir.

Tidaklah seseorang dianggap bersyukur hingga dia bersyukur atau berterima kasih

kepada orang lain yang melaluinya Allaah curahkan suatu kebaikan


commit to user

v

PERSEMBAHAN

Karya ini saya persembahkan untuk :

1. Ayah dan Ibu, terima kasih atas doa dan dukungannya

2. Kakak dan adikku tercinta

3. Pembimbing tugas akhir ini, Pak Budi dan Pak Suharyana, yang telah

membimbing dan memberi arahan

4. Kakak tingkat, adik tingkat dan angkatan 2009, semoga karya ini bermanfaat dan

berguna sebagai inspirasi bagi kita semua.

5. Almamater saya, terkhusus Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas

Maret, semoga ini menjadi karya yang bermanfaat dan menjadi inspirasi bagi

langkah selanjutnya di bidang keilmuan Fisika di masa mendatang


commit to user

vi

SIMULASI MIKROMAGNETIK MAGNETISASI REVERSAL PADA NANO-

PARTIKEL MAGNETIK PERMALLOY


Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Simulasi mikromagnetik digunakan untuk mengamati tipe nukleasi pada proses

magnetisasi reversal nano-partikel permalloy dengan polarisasi magnetik seragam.

Sebuah medan eksternal diterapkan pada nanopertikel dengan arah berlawanan

dengan orientasi magnetisasi. Kemudian, medan eksternal tersebut ditingkatkan

secara linier terhadap lama waktu sapuan medan eksternal tersebut. Evaluasi

mekanisme reversal dilakukan untuk variasi waktu sapuan, variasi redaman Gilbert

(α), variasi konstanta tukar (A), variasi ukuran nano-partikel, variasi ketebalan nano-

partikel, dan variasi sudut antara orientasi medan eksternal dengan orientasi

magnetisasi awal.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa energi aktivasi (Ea) dan medan reversal

(Hsw) menurun secara eksponensial terhadap waktu dengan dominasi Neel wall pada

tipe nukleasinya. Hasil variasi α menunjukkan ketergantungan Hsw yang linier

terhadap α, berbeda dengan Ea yang cenderung turun. Pasangan vorteks muncul

dengan waktu nukleasi yang berbeda. Variasi konstanta tukar menghasilkan

kecenderungan Ea dan Hsw yang linier terhadap A. Tipe nukleasinya didominasi

dengan konfigurasi pasangan vorteks dengan waktu kemunculan yang berbeda.

Variasi sudut memberikan nilai minimum Ea dan Hsw pada sudut 200 – 300.

Konfigurasi vorteks muncul sebelum sudut 500.

Berkaitan dimensi, variasi ukuran memberikan suatu kondisi maksimum, baik

Ea maupun Hsw pada ukuran nano partikel 40 nm saat konfigurasi vorteks mulai

muncul. Untuk variasi ketebalan, Ea mempunyai nilai maksimum ~2,6 × 106 erg

berbeda dengan Hsw yang turun setelah melewati nilai puncak ~4 kOe. Konfigurasi

vorteks dan antivorteks muncul pada ketebalan 30 nm dan 60 nm dengan kondisi

yang berbeda baik waktu nukleasi keduanya maupun formasi keduanya.Pada

ketebalan 30 nm, vorteks dan antivorteks muncul secara berurutan. Akan tetapi, pada

ketebalan 60 nm, vorteks dan antivorteks muncul bersamaan membentuk pasangan

vorteks-antivorteks pada rentang waktu tertentu.

Kata Kunci : mikromagnetik, reversal, energi aktivasi, medan reversal, vorteks,

antivorteks, permalloy


commit to user

vii

MICROMAGNETIC SIMULATION OF REVERSAL MAGNETIZATION ON

PERMALLOY MAGNETIC NANO-PARTICLE


Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret

Physics Department, Faculty of Mathematics and Sciences, Sebelas Maret University

ABSTRACT

Micromagnetic simulation was used to investigate nucleation types in reversal

magnetization process on Permalloy nano-particle with uniform magnetic

polarization. An external field was applied on nano-particle opposite directed to

magnetization orientation. After that, the external field was increased linerly to

sweeping time of the external field. Evaluation of reversal mechanism was performed

for sweeping time variation, Gilbert atenuation (α) variation, exchange constant (A)

variation, nano-particle size variation, nano-particle thickness variation, and degree

variation expressing between external field and initial magnetization orientation.

Result of micromagnetic simulation shown that activation energy (Ea) and

reversal field (Hsw) decreased exponentially to time with Neel wall domination on its

nucleation type. Result of α variation shown that Hsw dependence to α, different with

Ea that tended to decrease. Vortex pair appeared with different nucleation times. For

variated exchange constants, tendency of both Ea and Hsw is linierly to A. Its

nucleation type is dominated by vortex pair configuration appeared in different

nucleation times. Degree variation gave minimum value of both Ea and Hsw at degree

of 200 – 300. Vortex configuration appeared before degree of 500.

Dimensionally, size variation gave a maximum condition, either Ea or Hsw at

nano particle size of 40 nm while vortex configuration begun to appeare. For

thickness variation, Ea had a maximum value of ~2.6 × 106 erg, different with Hsw

that decreased after surpassed peak value of ~4 kOe. Vortex and antivortex appeared

at thickness of 30 nm and 60 nm with different condition, either their nucleation

times or their formation. At thickness of 30 nm, vortex and antivortex appeared in

sequence. But at thickness of 60 nm, vortex and antivortex appeared together formed

vortex-antivortex pair in specific time interval.

Keywords: micromagnetic, reversal, activation energy, reversal field, vortex,

antivortex, permalloy.


commit to user viii

KATA PENGANTAR

Pujian dan rasa syukur dipanjatkan kepada Allaah -Subhaanahu wa Ta’alaa-

Yang telah mengaruniakan nikmat yang tidak dapat terhitung. Dengan nikmatNya

pula, penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi. Semoga shalawat dan salam

senantiasa tercurah atas Rasulullah -shallallaahu ‘alayhi wa sallam-.

Skripsi ini disusun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana

sains yang penulis beri judul “Simulasi Mikromagnetik Magnetisasi Reversal pada

Nano-Partikel Magnetik Permalloy”. Kepada semua pihak yang telah membantu

penulis menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih. Atas

bantuannya selama proses pengerjaan skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus

penulis sampaikan kepada:

1. Dr. Eng. Budi Purnama, S. Si, M. Si selaku Pembimbing I yang telah

mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan arahan dalam

penyusunan skripsi.

2. Drs. Suharyana, M. Sc. selaku Pembimbing II yang telah memberikan

bimbingan dan saran dalam penyelesaian skripsi.

3. Keluargaku tercinta yang senantiasa mendukungku dan memberi semangat.

4. Mahasiswa Fisika, terkhusus angkatan 2009 atas dukungan dan bantuannya.

5. Semua pihak yang telah membantu penulis sehingga laporan penelitian ini

dapat diselesaikan dengan baik.

Semoga Allah –‘Azza wa Jalla- memberikan balasan yang lebih baik atas

kebaikannya. Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam skripsi ini.

Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik membangun guna perbaikan

di masa mendatang. Semoga laporan penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi

penulis dan pembaca.


commit to user ix

PUBLIKASI

Sebagian skripsi saya yang berjudul “Simulasi Mikromagnetik Magnetisasi

Reversal pada Nano-Partikel Magnetik Permalloy” telah :

1. Dipublikasikan pada Indonesian Journal of Applied Physics (IJAP) volume 2 No.

2 halaman 164 tahun 2012 dengan judul “Kajian Simulasi Mikromagnetik

Ketergantungan Tipe-nukleasi Magnetisasi Reversal terhadap Waktu pada Nano

Dot Permalloy”

2. Dipresentasikan dalam 3rd Jogja International Conference on Physics 2012 pada

tanggal 19 September 2012 di Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah

Mada dengan judul “Vortex-Antivortex Assisted Magnetization Dynamics in

Permalloy Nano Particle Studied by Micromagnetic Simulation”


commit to user x

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................ iii

HALAMAN MOTTO ................................................................................... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................... v

HALAMAN ABSTRAK ................................................................................ vi

HALAMAN ABSTRACT .............................................................................. vii

KATA PENGANTAR .................................................................................... viii

HALAMAN PUBLIKASI .............................................................................. ix

DAFTAR ISI ................................................................................................... x

DAFTAR TABEL .......................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii

DAFTAR SIMBOL ........................................................................................ xv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. xvi

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................ 1

1.1. Latar Belakang ........................................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ................................................................ 2

1.3. Batasan Masalah......................................................................... 3

1.4. Tujuan Penelitian ....................................................................... 3

1.5. Manfaat Penelitian ..................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................. 4

2.1. Momen Magnetik dan Magnetisasi Bahan Magnetik ................ 4

2.2. Ragam Bahan Magnetik ............................................................ 8

2.3. Karakteristik Bahan Feromagnetik Permalloy ........................... 11

2.3.1. Permeabilitas .................................................................... 11

2.3.2. Kurva Histerisis, Koersivitas, dan Magnetisasi Saturasi . 11

2.3.3. Pengaruh Suhu terhadap Bahan Feromagnetik ................ 12

2.4. Mikromagnetik ........................................................................... 13

2.4.1. Exchange Interaction ....................................................... 13

2.4.2. Anisotropi Magnetokristalin Material ............................. 14

2.4.3. Medan Demagnetisasi ...................................................... 16

2.4.4. Energi Total Sistem Mikromagnetik ................................ 16

2.5. Domain Magnetik dalam Sistem Feromagnetik ......................... 17

2.5.1. Asal-Usual Domain Magnetik ......................................... 17

2.5.2. Domain Wall .................................................................... 19

2.6. Magnetisasi Reversal dengan Tinjuan Mikromagnetisme .......... 21

2.7. Software Simulasi Mikromagnetik ............................................. 23

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................... 24

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian .................................................... 24


commit to user xi

3.2. Peralatan ..................................................................................... 24

3.2.1. Piranti Keras .................................................................... 24

3.2.2. Piranti Lunak Utama ........................................................ 24

3.3. Metode Simulasi Mikromagnetik ............................................... 24

3.4. Analisa Data ............................................................................... 27

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 28

4.1. Definisi Magnetisasi Reversal .................................................... 28

4.2. Variasi Waktu ............................................................................. 29

4.3. Variasi Redaman Gilbert ............................................................. 31

4.4. Variasi Konstanta Tukar ............................................................ 34

4.5. Variasi Ukuran ............................................................................ 36

4.6. Variasi Ketebalan ........................................................................ 38

4.7. Variasi Sudut H-Ms (θ) ............................................................... 42

BAB V PENUTUP ........................................................................................ 44

5.1. Kesimpulan ............................................................................... 44

5.2. Saran .......................................................................................... 45

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 46

LAMPIRAN .................................................................................................... 49


commit to user xii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1. Detail Komponen Energi Aktivasi .................................................. 31


commit to user xiii

DAFTAR GAMBAR

halaman

Gambar 2.1. Model Klasik Orbital Elektron yang Mengelilingi Inti ............. 5

Gambar 2.2. Skema arah Momen-Momen Magnetik Atom dan Relasi M-H

dari Bahan ................................................................................. 9

Gambar 2.3. Loop Histerisis Tipikal Bahan Magnetik .................................. 11

Gambar 2.4. Kurva Hukum Curie Bahan Paramagnetik dan Diamagnetik ... 12

Gambar 2.5. Kurva Hukum Curie Bahan Feromagnetik................................ 13

Gambar 2.6. Hubungan Magnetisasi Saturasi pada Feromagnetik dengan

Suhu Curie ................................................................................. 13

Gambar 2.7. Skema Struktur Domain Magnetik dengan Resultan Momen

Magnetik Nol di dalam (a) Kristal Tunggal (b) Polikristal ...... 18

Gambar 2.8. Struktur Dasar Domain Magnetik Permalloy ............................ 18

Gambar 2.9. Skema Bloch Wall ..................................................................... 19

Gambar 2.10. Skema Monoatomic Domain Wall dan Bloch wall ................... 19

Gambar 2.11. Skema Domain Closure ............................................................ 20

Gambar 2.12. Grafik fungsi densitas energi sebagai fungsi ketebalan

material magnetik di dalam Bloch wall dan Néel wall ............. 20

Gambar 2.13. Skema Domain Wall ................................................................. 21

Gambar 2.14. Skema Néel wall (atas) dan Cross-tie wall (Bawah) ................. 21

Gambar 2.15. Skema Reversal Berupa Gerakan Vektor Magnetisasi M di

Bawah Pengaruh Medan Statik H untuk (A) = 0 dan (B)

<< 1 ........................................................................................... 22

Gambar 3.1. Skema Finite Element Micromagnetic Modeling dengan

Ukuran 50 100 nm ................................................................. 24

Gambar 4.1. Ilustrasi Kurva a) Energi Aktivasi (Ea) Sebagai Fungsi Waktu

(T) dan b) Medan Reversal sebagai Fungsi Waktu Disertai

Mikrograf pada Kondisi Minimum sebelum Reversal dan

pada Kondisi Minimum setelah Reversal ................................ 28

Gambar 4.2. Kurva Energi Aktivasi Ea dan Switching Field Hsw sebagai

Fungsi Waktu (t) ....................................................................... 29

Gambar 4.3. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Waktu Reversal. Garis

Tersambung Menandakan Nèel Wall dan Garis Terputus

Menandakan Bloch Wall. ......................................................... 30

Gambar 4.4. Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi Redaman Gilbert (α)........... 31

Gambar 4.5. Kurva Komponen Energi terhadap α saat Ea Diperoleh ........... 32

Gambar 4.6. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Redaman Gilbert.

Garis Merah Menandakan Vorteks ........................................... 33


commit to user xiv

Gambar 4.7. Kurva Tipikal Berkaitan Konstanta Tukar (a) Kurva Ea dan

Hsw sebagai Fungsi A (b) Kurva Hsw sebagai Fungsi

Exchange Length lex .................................................................. 34

Gambar 4.8. Tahapan Magnetisasi Reversal Variasi Konstanta Tukar

dengan Garis Merah Menandakan Vorteks .............................. 35

Gambar 4.9. Kurva Ea dan Hsw sebagai Fungsi Ukuran Nanopartikel .......... 36

Gambar 4.10. Tahapan magnetisasi reversal teramati dalam coherent

rotation untuk ukuran 30 nm dan nukleasi-annihilasi

pasangan vorteks (garis merah) untuk ukuran 40 nm dan 70

nm ............................................................................................. 37

Gambar 4.11. Kurva Fungsi Ea dan Hsw sebagai Fungsi Ketebalan ................. 38

Gambar 4.12. Mode Reversal untuk Ketebalan 20 nm, 30 nm, dan 50 nm

dengan Néel walls Ditandai dengan Garis Hitam Tegas,

Bloch wall Ditandai dengan Garis Putus-Putus, Vorteks

Ditandai dengan Garis Merah, dan Antivorteks Ditandai

dengan Garis Kuning. ............................................................... 40

Gambar 4.13. Kurva Ea Sebagai Fungsi Sudut H-Ms ....................................... 41

Gambar 4.14. Mode Reversal untuk Sudut H-M untuk sudut 200, 300, dan

600 dengan Vorteks Ditandai dengan Garis Merah .................. 42


commit to user xv

DAFTAR SIMBOL

α : Konstanta redaman Gilbert

γ : Rasio giromagnetik

μB : Magneton Bohr

A : Konstanta tukar (exchenge stiffness)

B : Vektor induksi magnetik

M : Vektor magnetisasi

Heff : Vektor medan efektif

Hd : Vektor medan demagnetisasi

Nd : faktor demagnetisasi

Hex : Vektor medan interaksi tukar

Hk : Vektor medan anisotropi

Ms : Magnetisasi jenuh / saturasi

m0 : Momen magnetik orbital

p0 : Momen magnetik orbital

ms : Momen magnetik spin

ps : Momen magnetik spin

me : massa elektron

χ : Suseptibilitas

J : Vektor momentum angular orbital atom

L : Vektor momentum angular spin atom

S : Vektor momentum total atom

L : Momentum angular orbital atom

S : Momentum angular spin atom

J : Momentum total atom

Edemag : energi demagnetisasi

Etot : energi total magnetik

μ0 : permeabilitas ruang vakum

μ : permeabilitas magnetik

T : suhu

TC : suhu Curie

C : konstanta Curie

Vij : energi potensial interaksi Heisenberg

Jij : exchange integral

Si : momentum angular spin atom i

Sj : momentum angular spin atom j

εexch : densitas energi interaksi tukar

lexch : exchange length

K : konstanta anisotropi


commit to user xvi

εuni : densitas energi anisotropi uniaksial

εcub : densitas energi anisotropi kubik


commit to user xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran : Makalah dan Sertifikat Publikasi

simulasi mikromagnetik magnetisasi reversal pada nano-partikel

Documents