Aiheesta
Atomit kerroksiin Otaniemen Kemistintiellä kehitetään maailman kärkiluokan materiaaleja niin termosähkölaitteisiin kuin puettavaan elektroniikkaankin.
Teksti Marjukka Puolakka Kuvat Mikko Raskinen, Anne Hanén KUN YHDISTEITÄ PÄÄSTÄÄN räätälöi-
mään atomitasolle asti, saadaan aikaan mittakaavoiltaan huikean pieniä ja juuri halutunlaisia materiaaleja. Tästä on kyse atomikerroskasvatuksessa eli ALD:ssa (Atomic Layer Deposition). Suomessa 1970-luvulla kehitetyllä ALD-menetelmällä valmistetaan ohutkalvoja, joilla on lukuisia sovelluksia niin mikroelektroniikassa, optiikassa kuin vaikkapa aurinkokennoissakin. ALD on mahdollistanut esimerkiksi transistorien koon jatkuvan pienentymisen ja tehon parantumisen. ”ALD-reaktorissa kaasumaiset lähtöaineet tarttuvat kasvatusalustan pintaan yksi atomikerros kerrallaan. Kun oikeanlaiset yhdisteet saadaan reagoimaan keskenään, voidaan ohutkalvoille kehittää juuri haluttuja ominaisuuksia”, kertoo epäorgaanisen kemian professori Maarit Karppinen. Kalevala Korun hopeakoruissa kymmenen nanometrin alumiinioksidikerros estää korun tummumista. Transistorissa taas ohut hafniumoksidipinnoite toimii hyvänä sähköneristeenä.
Professori Maarit Karppisen johdolla tutkitaan muun muassa uusia termosähköisiä materiaaleja. Niillä voitaisiin korvata nykyisiä puolijohdemateriaaleja, jotka ovat kalliita ja koostuvat harvinaisista alkuaineista.
Tohtoriopiskelija Mikko Nisula testaa orgaanisella litiumelektrodikalvolla pinnoitettua mikroakkua.
Pioneeri hybridimateriaaleissa Tällä hetkellä perinteisen ALD-tekniikan sovelluksissa käytetään vain epäorgaanisia materiaaleja. Seuraavan sukupolven sovelluksiin tarvitaan uutta näkökulmaa. ”Me yhdistämme ohuita epäorgaanisia ja orgaanisia materiaalikerroksia toisiinsa. Tuloksena on atomi/molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) ja sillä aikaansaadut hybridimateriaalit.” Näiden hybridimateriaalien kehittämisessä Karppisen tutkimusryhmä on yksi pioneereista ja aivan maailman kärjessä. ”Se paletti, jolla teemme asioita, on ryhmämme vahvuus. Kaikilla tutkimuksemme osa-alueilla on muitakin tekijöitä, mutta kellään ei ole samanlaista yhdistelmää, mitä tulee materiaalikirjoon ja uusien materiaalien etsintään käytettyihin työkaluihin.” Hukkalämpöä sähköksi muuttavilla termosähköisillä materiaaleilla on sovelluksia niin tulevaisuuden energiatekniikassa kuin puettavassa elektroniikassakin. Hyvä termosähköinen materiaali johtaa hyvin sähköä mutta huonosti lämpöä. Nämä toisensa tyypillisesti poissulkevat ominaisuudet voidaan saada aikaan Karppisen käyttämillä menetelmillä. ”Muotoilun laitoksen kanssa kehitämme tekstiilejä, joita päällystetään
taipuisilla ja kestävillä termosähköisillä materiaaleilla.”
Yksi tai kaksi seuloutuu sadasta Maarit Karppisen johdolla on löydetty lukuisia uusia yhdisteitä ja kehitetty materiaaleja, joita tarvitaan muun muassa kestävän kehityksen energiateknologioissa. ”Pitää löytää sata uutta yhdistettä, jotta yhdestä tai kahdesta voi tulla aikanaan sovelluksia. Aikajänne materiaalien perustutkimuksesta sovelluksen käyttöönottoon on tyypillisesti viidestä viiteentoista vuotta.” Tulevaisuuden kannettavissa laitteissa ja puettavassa elektroniikassa tavoitellaan kykyä pakkautua yhä pienempään kokoon. Materiaaleista halutaan joustavia ja läpinäkyviä. Hybridimateriaaleista tehty litium-ioniakku voisi olla paitsi äärimmäisen turvallinen, myös läpinäkyvä. Ihmiskehon sisällä termosähköinen materiaali taas voisi tuottaa pienestä kehon ja ympäristön välisestä lämpötilaerosta sähköä sydämentahdistimeen. Materiaaliyhdisteiden etsintä jatkuu kiivaana. Karppisen tutkimusryhmässä työskentelee reilut 15 nuorta väitöskirjaja postdoc-tutkijaa. Työtä tehdään muun muassa arvostetun eurooppalaisen ERC Advanced Grant -rahoituksen turvin. AALTO UNIVERSITY MAGAZINE 16 \ 29