BAHAN ANTIFERROMAGNETIK
1. Bahan Antiferromagnetik 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 mendapatkan treament paling detail mengenai hal ini. [1]
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 suhu yang menandai berubahan sifat magnet dari antiferromagnetik ke paramagnetik. Diatas suhu Neel bahan biasanya bersifat paramagnetik. Pada bahan antiferromagnetik terjadi peristiwa kopling momen magnetik diantara atom – atom atau ion ion yang berdekatan. Peristiwa kopling tersebut menghasilkan terbentuknya orientasi spin yang antiparalel. Berikut ini adalah ilutrasinya.
Gambar 1 : Skema susunan spin spin pada bahan antiferromagnetik. Magnitude untuk setiap momen magnetik bernilai sama dengan arah spin yang saling milberlawanan (antiparalel) Berikut ini adalah peristiwa kopling pada bahan antiferromagnetik. Contohnya pada senyawa MnO. Ikatan pada MnO merupakan ikatan ionik, Ion Mn2+ berisi lima elektron 3d, Ion-ion O2- memiliki kulit elektron yang terisi, hibridisasi hanya dapat ditempati oleh donor elektron dari ion O2kedalam orbital yang kosong dari ion Mn2+.. Maka, karena semua orbital Mn berisi sebuah elektron spin-up, ikatan hanya terjadi jika oksigen terdekatnya mendonorkan elektron spin-downnya.
Gambar 2 : Peristiwa Kopling Bahan Antiferromagnetik [4]
2. 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, 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 1. Hamburan neutron elastis: memberikan dua tipe puncak difraksi. 2. Hamburan inkoheren: besarnya hamburan tergantung pada orientasi antara spin inti dengan spin neutron. 3. Hamburan neutron inelastis: hamburan koheren yang menghasilkan polapola difraksi dengan interferensi. Keuntungan difraksi neutron dibandingkan difraksi sinar X: Sangat sensitif untuk atom ringan. Pola neutron dapat membedakan isotop atom yang berbeda sedangkan pola sinar X tidak dapat. Difraksi neutron memberikan kontribusi dalam penelitian material magnetik. Kelemahan: Memerlukan sumber neutron yang mempunyai fluks yang besar. Neutron yang tidak bermuatan listrik, menjadikannya lebih sulit untuk mendeteksi daripada sinar-x yang terionisasi. Oleh karena itu, pertamatama neutron harus diionkan terlebih dahulu. [3] Contoh MnO yang memiliki struktur seperti NaCl. Bahan MnO dibuat ke dalam keadaan dua suhu yang berbeda yaitu pada suhu 80o K dan satu lagi pada suhu 293o K. Dengan cara yang klasik ini akan diamati refleksi pancaran neutron yang terjadi pada setiap kisi dengan sudut hamburan tertentu. Dari informasi – informasi yang didapatkan, nantinya akan diperoleh besar konstanta kisi dan bentuk kisi dari bahan magnet tersebut. Pada suhu 80o K
dapat diklasifikasikan dengan hubungan unit sel berupa kubik dengan konstanta kisi sebesar 8,85 Å. Sedangkan pada suhu 293o K refleksi memberi informasi bahwa unit sel berbentuk FCC dengan konstanta kisi sebesar 4,43 Å. Tetapi dengan sinar X-ray baik pada suhu 80o K dan 293o K diperoleh konstanta kisi yang sama yaitu 4,43 Å, tetapi pada suhu 80 o K, ion Mn2+ tersusun secara non ferromagnetik. Bila tersusun secara ferromagnetik seharusnya terjadi nilai refleksi yang sama. Dari data tersebut dapat dijelaskan bahwa spin pada single plane [1 1 1] 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 antiferromagnetik. Spin antiferromagnetik akan tersusun antiparalel dengan momen magnet total bernilai nol pada suhu dibawah Temperatur Neel. Semua bahan magnetik baik itu paramagnetik, ferromagnetik ataupun antiferromagnetik akan memiliki nilai suseptibitas yang bergantung pada konstanta Currie. Bila diketahui berapa besar konstanta Currie pada suatu bahan antiferromagnetik, maka dapat diperkirakan besar Temperatur Neel bahan dengan menggunakan pendekatan : T=μ.C Konstanta Currie merupakan nilai properti material yang menggambar kebergantungan suseptibilitas magnetik dengan temperatur.[2] 3. Suseptibilitas Bahan Antiferromagnetik (χ) Suseptibilitas
bahan
antiferromagnetik
menggunakan temperatur Neel.
dapat
ditentukan
dengan
Gambar 3 : Skema susunan spin – spin pada bahan antiferromagnetik yang dibagi menjadi sublattice A dan sublattice B Dimulai dari persamaan untuk mencari nilai suseptibilitas pada bahan ferromagnetik, yaitu :
Berbeda dengan bahan ferromagnetik, untuk antiferromagnetik konstanta Currie pada sublattice A dan sublattice B adalah sama nilainya (CA = CB), sehingga persamaan suseptibilitasnya menjadi :
Selain itu kita juga dapat menghitung nilai suseptibilitas antiferromagnetik dengan hubungan temperatur Currie paramagnetik yaitu :
Dimana
, dan θp merupakan temperatur Currie paramagnetik,
N1 merupakan konstanta medan molecular intrasublattice, N2 merupakan konstanta medan molecular intersublattice. Dimana molecular intrasublattice tersebut diperoleh dari magnetisasi dari tiap layer/sublattice, untuk kasus antiferromagnetik diketahui bahwa magnetisasi pada sublattice A sama dengan magnetisasi pada sublattice B.
Pada kenyataannya nilai dari temperatur Currie paramagnetik tidak sama dengan temperatur Neel (θp≠TN).
Pertama yang perlu kita ketahui yaitu N1>0 dan N2<0, dari pernyataan tersebut dengan mengamati kedua persamaan diatas dapat diambil kesimpulan bahwa θp N2). Pada keadaan kristalin seringkali salah satu arah kristalografik ditemukan pada daerah yang momen magnetik atomiknya memiliki energi yang lebih rendah daripada arah yang lainnya, yang sering kita sebut sebagai arah magnetisasi sederhana (easy magnetization direction). Untuk yang arah medan aplikasinya tegak lurus terhadap easy magnetization direction, maka besar magnetisasi yang terjadi yaitu :
Dimana
Namun bila medan aplikasi membentuk sudut α terhadap easy magnetization direction, maka besar magnetisasi yang terjadi menjadi :
[2]
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 4 : medan tegak lurus magnetisasi 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 5 : Medan paralel terhadap magnetisasi suseptibilitas diperoleh dengan merata-ratakan semua kemungkinan orientasi.
Pada suhu Neel, suseptibilitas sejajar dan tegak lurus magnetisasi memiliki nilai sehingga suseptibilitas totalnya bernilai maksimum, seperti yang ditunjukkan kurva dibawah ini. [4]
Gambar 6 : Kurva suseptibilitas bahan antiferromagnetik
4. Hubungan Antara Antiferromagnetik dengan Sifat Magnet Lain Bahan antiferromagnetik dan bahan diamagnetik memiliki spin yang antiparalel atau berlawanan arah. Pada umumnya, bahan diamagnetik merupakan sebuah unsur, sehingga spinnya yang acak merupakan bawaan alamiah unsur tersebut, sedangkan pada antiferromagnetik bahannya berupa senyawa, spin yang antiparalel disebabkan oleh dua atom yang terkopling. Bahan antiferromagnetik memiliki perubahan fasa sifat magnet, ketika bahan antiferromagnetik berada dibawah suhu Neel, maka ia akan bersifat sebagai antiferromagnetik. Sedangkan ketika berada diatas suhu Neel maka sifatnya akan berubah menjadi bahan paramagnetik. Bahan antiferromagnetik dapat diubah menjadi bahan paramagnetik hanya dengan menaikan suhu sampai diatas suhu Neelnya. Sedangkan bahan paramagnetik, jika ingin diubah menjadi bahan antiferromagnetik tidak hanya dengan menurunkan suhunya sampai dibawah suhu Neel, namun harus memperhatikan bahannya juga, apabila senyawa maka hanya dengan diturunkan
suhunya maka dapat berubah menjadi antiferromagnetik,
sedangkan jika bukan senyawa maka tidak cukup jika hanya diberikan perlakuan suhu. Bahan antiferromagnetik juga dapat dibuat dari bahan ferromagnetik, yaitu dengan cara menjadikan bahan ferromagnetik menjadi senyawa oksida atau sulfida. Contohnya Ni2O3. Berikut ini adalah kurva yang menggambarkan hubungan sifat bahan bahan magnet.
Gambar 7 : kurva suseptibilitas terhadap suhu berbagai sifat bahan magnet
5. Kromium (Cr)
Contoh bahan antiferromagnetik adalah senyawa- senyawa oksida, dan senyawa sulfida. Kebanyakan bahan antiferromagnetik adalah senyawa, namun ada satu unsur yang memiliki sifat antiferromagnetik yaitu Kromium. Kromium sebagai bahan antiferromagnetik disebabkan karena memiliki dua keistimewaan yaitu : spin-density waves pada Fermi surface first-principles total-energy calculations on bcc Cr Hal ini menunjukkan bahwa dua sifat khusus dari Cr diperlukan untuk menjelaskannya antiferromagnetisme. Salah satu properti khusus adalah kepekaan dikenal antiferromagnetik gelombang spin-density karena bersarang dari permukaan Fermi. Sebuah properti khusus kedua baru datang dari pertama-prinsip perhitungan jumlah energi pada bcc Cr, yang menunjukkan bahwa, meskipun terendah keadaan energi adalah bukan magnetik, ekspansi kecil kisi membawa transisi orde kedua ke fase antiferromagnetik tipe-I dengan cepat naik momen lokal. Sifat gabungan menyediakan mekanisme untuk stabilisasi keadaan dasar antiferromagnetik tidak biasa, karena gelombang spin-density yang memodulasi saat fase antiferromagnetik dapat digunakan untuk mengkompensasi energi regangan dari ekspansi kisi. Mekanisme gabungan ini juga menjelaskan berbagai properti dari Cr, seperti sensitivitas besar antiferromagnetisme untuk tekanan. Berikut adalah gambar yang menggambarkan spin-density waves. [5]
Gambar 8 : spin-density waves chromium
6. Aplikasi Bahan Antiferromagnetik Terdapat beberapa aplikasi dari bahan antiferromagnetik yaitu : a. Salah satu aplikasi bahan antiferromagnetik adalah untuk media pengimpanan magnetik. Hal ini didasari oleh beberapa alasan sebagai berikut : 1. Penyimpanan magnetik bergantung pada orientasi balikan/putaran spin dalam bahan magnetik, dan ini bergantung pada batas – batas bahan. Namun para peneliti telah menunjukkan bahwa merek dapat memanfaatkan berbagai jenis bahan magnetik untuk mempercepat kecepatan tulis, meskipun perubahan dalam orientasi magnetik mengambil jumlah waktu yang sama. Pada umumnya, teknologi hard drive berdasarkan 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). 2. 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.[2] b. Kegunaan bahan antiferromagnetik lainnya adalah digunakan sebagai katup spin (spin valve), karena adanya fenomena yang dinamakan pertukaran anisotropik (exchange anisotropy) atau kopling exchange-bias. Exchange anisotropy pertama kali di teliti lebih dari 50 tahun yang lalu dalam sebuah partikel
single
domain
(berdiameter
100
-1000
A)
Co
(bahan
ferromagnetik) yang dilapisi dengan antiferromagnetik CoO, seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 3 : Skema dari partikel core-shell yang berisi inti ferromagnetik Co, dengan kulit antiferromagnetik CoO disekelilingnya. Sampel Co/CoO tersebut, didinginkan pada medan nol, dan memiliki histerisis normal, mengingat bahwa sampel field-cooled yang telah diobservasi sebelumnya memiliki loop hysterisis (shifted hysterisis loop), seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4 : skema loop hysterisis pada sebuah sistem dengan pertukaran anisotropy Secara keseluruhan, koersivitas dinaikkan dan dibandingkan dengan sampel zero fieldcooled. Dan magnitudenya berbeda untuk medan yang dinaikkan dan diturunkan. Perbedaan koersivitas dari medan forward (maju) dan reverse (balik) diaplikasikan pada sistem exchange-bias yang digunakan pada aplikasi katup-spin (spin valve) modern untuk meletakkan arah magnetisasi dari lapisan ferromagnetik. Lapisan yang diletakkan tersebut dikopling kepada lapisan ferromagnetik kedua yang dapat merubah orientasi mgnetisasinya dalam respon terhadap medan luar. Resistansi dari devais bernilai kecil jika lapisan ferromagnetik disejajarkan pada arah yang sama, dan bernilai tinggi jika mereka disejajarkan pada arah yang berlawanan. Oleh karena itu, devais tersebut dapat digunakan sebagai sensor medan magnetik sensitif.[1] c. Bahan antiferromagnetik Kromium (Cr) 1. Digunakan untuk mengeraskan baja, untuk pembuatan stainless steel, dan untuk membentuk paduan 2. Digunakan dalam plating untuk menghasilkan permukaan yang indah dan keras, serta untuk mencegah korosi. 3. Digunakan untuk memberi warna hijau pada kaca zamrud.
4. Digunakan sebagai katalis. seperti K2Cr2O7 merupakan agen oksidasi dan digunakan dalam analisis kuantitatif dan juga dalam penyamakan kulit 5. Merupakan suatu pigmen, khususnya krom kuning d. Bahan antiferromagnetik senyawa oksida Digunakan untuk bahan gading tiruan, obat penyakit mag, dan pelapis tanur.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Nicola A Spaldin.2010.Magnetic Materials Fundamental and Applications 2nd Edition. Cambrige : Cambridge University Press. [2] Risdiana.2012.Buku Diktat Bahan Magnet dan Superkonduktor.Bandung : Jurusan Fisika Universitas Padjadjaran. [3]
http://ardiannisworld.blogspot.com/2008/01/difraksi-neutron_31.html (diunggah pada tanggal 24 November, pukul 18 : 09)
[4] Riza.Antiferromagnetik. Universitas Padjadjaran.ppt [5] Oleg Shpyrko.XPCS Studies of Antiferromagnetic Domain Wall Dynamics in Elemental Chromium. University of California San Diego : Departement Of Physics.pdf
BAHAN ANTIFERROMAGNETIK
Paper Ini Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Bahan Magnet dan Superkonduktor
Disusun Oleh : Dwika Andjani 140310100083
JURUSAN FISIKA FALKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN 2013
