Nanometrikokoluokan ohutkalvomateriaalien monet sovelluskohteet

3.9.2019/Text: Jenna Penttinen

Ohutkalvon paksuus määritetään alhaisen tulokulman röntgendiffraktiolla. Näitä mittauksia teemme päivittäin.

Olemme keskittyneet laajasti uudenlaisiin ohutkalvorakenteisiin epäorgaanisen kemian tutkimusryhmässämme. Oman väitöskirjani aihe on huokoiset ja kiteiset metalli-orgaanisen runkorakenteen (metal-organic framework, MOF) ohutkalvot, jotka koostuvat epäorgaanisista metallikeskuksista ja orgaanisista ligandeista muodostaen kolmiulotteisen verkoston. Keskityn kaikista elektropositiivisimpiin alkuaineisiin, kuten litiumiin, natriumiin ja magnesiumiin, koska ne muodostavat ionisidoksen orgaanisen molekyylin hapen kanssa. Ionisidoksien ansiosta rakenne on taipuisa muuttamaan kiderakennettaan ja hydrolysoituu helpommin, jolloin MOF-materiaaleja voidaan hyödyntää antureissa ja kaasuabsorptiossa. Atomi- ja molekyylikerroskasvatusmenetelmä (atomic and molecular layer deposition, ALD/MLD) mahdollistaa huokoisten ja kiteisten ohutkalvojen kasvatuksen nanometrien tarkkuudella.

Kuva. ALD/MLD-menetelmä perustuu kaasufaasissa tapahtuviin saturoituviin pintareaktioihin. 1) Epäorgaaninen lähtöaine reagoi pinnan kanssa. 2) Orgaaninen lähtöaine reagoi pinnan kanssa. 3) Kalvon paksuutta kontrolloidaan toistamalla vaiheet 1 ja 2 tarvittava määrä.

ALD-reaktorissa 8 tunnin työpäivän aikana ehtii kasvaa 100 nm paksuinen kalvo. Tänä aikana hiuksesi ja kyntesi ovat kasvaneet kymmeniä kertoja enemmän pituutta.

ALD/MLD-menetelmällä kasvatetuilla ohutkalvoilla on laajat käyttömahdollisuudet tulevaisuuden sovelluksissa. Meidän ryhmässämme olemme tutkineet esimerkiksi elektrodimateriaaleja mikroakkuihin; luminesoivia kalvoja; ohutkalvorakenteita, jotka reagoivat ulkoiseen ärsykkeeseen, kuten UV-valoon; sekä termosähköisiä ohutkalvoja, jotka johtavat hyvin lämpöä ja huonosti sähköä.

ALD-menetelmällä kasvatetut ohutkalvot sopivat sovelluskohteisiin, joiden vaatimuksena on erittäin tasainen ja laadukas ohutkalvo kolmiulotteisilla pinnoillakin. ALD-menetelmä on hidas, mutta etuna on ohutkalvon paksuuden tarkka kontrollointi nanometrin tarkkuudella. Hidas ohutkalvojen kasvatusmenetelmä soveltuu elektroniikkateollisuuden tarpeisiin. Lisäksi, ALD/MLD-menetelmällä pystytään kasvattamaan ohutkalvorakenteita, joita ei muilla menetelmillä pystytä valmistamaan ilman liuotinmolekyylejä.

ALD/MLD-hybridikalvojen julkaisutahti kasvaa joka vuosi ja on innostavaa olla mukana osana tätä alati kasvavaa alaa. Jatko-opiskelijana epäorgaanisen kemian ryhmässä olen saanut työskennellä monikulttuurisessa työympäristössä, jossa tutkijoita on kahdeksasta eri maasta, ja olen lisäksi päässyt esittämään tutkimustuloksiamme lukuisille konferenssimatkoille ympäri maailmaa.

Penttinen, M. Nisula, and M. Karppinen, “Atomic/Molecular Layer Deposition of s-Block Metal Carboxylate Coordination Network Thin Films,” Chem. - A Eur. J., vol. 23, no. 72, pp. 18225–18231, Dec. 2017.

https://doi.org/10.1002/chem.201703704

Jenna Penttinen työskentelee Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa tohtorikoulutettavana. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä kannustusapurahan jatko-opintoihinsa Aalto-yliopistossa vuonna 2018.

Uusimmat artikkelit

Maatalous energian kuluttajasta energian tuottajaksi?

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 29.11.2021

Maatalous energian kuluttajasta energian tuottajaksi? Ruoan ja energiantuotannon järkevällä yhdistämisellä voitaisiin tuottaa tulevaisuudessa enemmän energiaa mitä maatalous kuluttaa ilman kilpailua ruoantuotannon kanssa. Maatalouden sivuvirrat, kuten lanta ja satotähteet, tarjoavat merkittävän potentiaalin tuottaa uusitutuvaa energiaa maatiloilla. Biokaasulaitoksia onkin viime vuosina rakennettu yhä enenemissä määrin maatilojen yhteyteen ja kiinnostus maatalousbiomassojen hyödyntämiseen yleisestikin on kasvussa. Lannan lisäksi, erityisesti … Jatka artikkeliin Maatalous energian kuluttajasta energian tuottajaksi?

Teollisuuden jätteistä voidaan valmistaa kultaa ympäristöystävällisesti

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 22.11.2021

Teollisuuden jätteistä voidaan valmistaa kultaa ympäristöystävällisesti Tutkimukseni päätavoitteena on tulevaisuudessa korvata ensisijaisten raaka-aineiden ehtymisestä koituva raaka-ainepula kullan tuotannossa jätteeksi luokitelluista raaka-aineista ympäristöystävällisesti. Väitöskirjani tutkimustavoitteena on yhdistää laboratoriomittakaavan testimenetelmät siten, että kullan kloridiliuotusta erityisesti jätteeksi luokitelluista raaka-aineista voidaan soveltaa lopulta teollisella tasolla. Suurin haaste on se, että pystyttäisiin taloudellisesti kilpailemaan hallitsevan syanidiprosessin kanssa, ja siksi lisätutkimusta … Jatka artikkeliin Teollisuuden jätteistä voidaan valmistaa kultaa ympäristöystävällisesti

Advanced Wireless Biotelemetry Systems for Human Healthcare

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 5.11.2021

Advanced Wireless Biotelemetry Systems for Human Healthcare The more obscure a problem is, the more I am encouraged to break it. This attitude has led me to continuously strive to acquire the knowledge, skills, experience and expertise of more advanced and unknown sciences and technologies to the extent that I have been able to overcome … Jatka artikkeliin Advanced Wireless Biotelemetry Systems for Human Healthcare

What will the Future Wireless Networks be?

26.8.2019/Text: Kien Vu

The deployment of the fifth generation (5G) networks is going to change our lives and transform our businesses. The unprecedented growth of data traffic driven mainly by a massive number of wireless connected devices (mobile phones, laptops, sensing devices) and rich content applications (video and game streaming, augmented and virtual reality) are posing unforeseen challenges in terms of extreme data rate, low latency, high reliability, and large scalability.

5G technologies for mobile broadband

The 5G wireless systems are expected to meet these unprecedented challenges, which require a paradigm shift in system design and radio technologies. In this research, the author studies the main 5G technologies, concerning higher frequency bands, large antenna array, and dense small cells to support new and diverse use-case scenarios and applications for future wireless networks. The author proposes a new system design, integrated in-band access and backhaul architecture, which jointly schedules a large number of users and provides in-band wireless backhaul to a dense deployment of small cell base stations. The main objective is to achieve extreme data rate, low-latency with reliability constraints in the presence of network dynamics by applying advanced signal processing techniques, mathematical optimization frameworks, and deep reinforcement learning tools.

Research Impacts

The research lies on the fundamental of wireless communications in which several questions are addressed. One of the most important questions is how to support extreme data rate, low latency, and reliable communication in 5G networks and beyond. This research contributes novel ideas to enrich user experiences, industrial productivity and efficiency of public sectors for the Finnish communities and the development of 5G networks over the world.

Research Results

The author would like to acknowledge the Finnish Foundation for Technology Promotion and other funding to support his doctoral studies. The author was able to finalize his doctoral dissertation, which consists of several research articles.

About the author: Kien Vu has joined the Centre for Wireless Communications as a doctoral student and started his doctoral degree studies on June 16^th, 2015 at University of Oulu Graduate School, Finland. He received the incentive grant from the Finnish Foundation for Technology Promotion to study new radio access technologies to enable multiple Gigabits of data rate and ultra-reliable and low latency communications for 5G wireless networks and beyond.

Uusimmat artikkelit

Data-analyysi täydentää kokeellista tutkimusta

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 21.6.2022

Data-analyysi täydentää kokeellista tutkimusta 21.6.2022/Teksti: Iina Korkka Se hetki, kun siirryt laboratoriosta koneen ääreen Kuulostaako tämä tutulta? Kokeellinen laboratoriotyö on tuottanut paljon tulosta ja dataa on valtavat määrät. Data pitäisi analysoida kattavasti ja siitä pitäisi pystyä nostamaan esiin tärkeimpiä tuloksia ja johtopäätöksiä. Ehkä en aloitakaan sitä vielä tänään, huomenna on parempi päivä. Ei se Excel … Jatka artikkeliin Data-analyysi täydentää kokeellista tutkimusta

Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 3.2.2022

Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara Väestön ja asuntokannan yhteinen ikääntyminen asettavat Suomessa, kuten monessa muussakin maassa, enenevässä määrin haasteita asumiselle. Asumisen tarpeiden ja tarjonnan epäsuhtaa ei voida oikaista pelkällä uudistuotannolla. Vastavuoroisesti korjausrakentamisen merkitys kasvaa niin sosiaalisista, ekologisista, kuin taloudellisistakin syistä. Ikääntyminen kärjistyy lähiökerrostaloissa Useimmat ihmiset tahtovat asua kotona mahdollisimman pitkään. Tuttuun elinympäristöön on vahvat tunnesiteet … Jatka artikkeliin Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara

Ioncell® technology for a green textile industry

Kirjoittajalta Marianna / 1.2.2022

Ioncell® technology for a green textile industry Fast fashion promotes the usage of low-cost and synthetic fibers such as polyster-based textiles, leading to the increase of global textile production. Unfortunately, vast majority of the produced textiles are remained unrecycled, thereby, adversely affecting the environment. Recent report suggests that synthetic garments are the major cause of … Jatka artikkeliin Ioncell® technology for a green textile industry

"Post doc -poolin apurahalla on ollut merkittävä vaikutus uran myönteiseen kehittymiseen"

21.8.2019

Sain Tekniikan edistämissäätiön apurahan Post doc -poolin syyshaussa vuonna 2017 tutkimusaiheelleni “Digital DNA sensing system for automatic detection of infectious diseases”. Suoritin Post doc -tutkimusvuoteni Lontoossa Imperial College London -yliopistossa.

Tutkimuskauden aikana pääsin tutustumaan useampaan uuteen tutkimusryhmään, jotka tekevät kunnianhimoista ja poikkitieteellistä tutkimusta uusien sensoriteknologioiden saralla. Vuoden aikana sain edistettyä omaa diagnostisten menetelmien tutkimusta ja tehtyä yhteistyötä Imperial College London tutkijoiden kanssa. Tutkimuksen pohjalta on valmisteilla kansainvälinen julkaisu, jossa esitellään uusien DNA sensoreiden toimintaa. Lisäksi tutkijavuosi mahdollisti tutustumisen uusiin tutkimushankkeisiin fysiologisen sensoreiden saralla, josta on myös valmisteilla kansainvälinen julkaisu.

Luotujen verkostojen ansiosta on tällä hetkellä myös suunnitteilla yhteisiä rahoitushakuja, joiden avulla syntynyttä tutkimusyhteistyötä voidaan ylläpitää.

Tällä hetkellä toimin vanhempana tutkijana Turun Yliopiston Tulevaisuuden Teknologioiden laitoksella vakituisessa virassa. Tekniikan Edistämissäätiön apurahalla on ollut merkittävä vaikutus uran myönteiseen kehittymiseen sekä uusien tutkimussuuntien ja yhteistyökumppaneiden löytämisessä.

Kirjoittaja: Matti Kaisti

Uusimmat artikkelit

Data-analyysi täydentää kokeellista tutkimusta

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 21.6.2022

Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 3.2.2022

Ioncell® technology for a green textile industry

Kirjoittajalta Marianna / 1.2.2022

Puolijohdelaserien tutkimus avaa uusia ratkaisuja itseohjautuviin autoihin, lääketieteeseen ja piifotoniikkaan

27.10.2017/Text: Antti Aho

Antti Aho, optoelektroniikka, Tampereen teknillinen yliopisto

Laservaloa käytetään nykyään monissa arkisissa sovelluskohteissa, kuten dvd- ja blu-ray-soittimissa, optisessa tiedonsiirrossa sekä viivakoodinlukijoissa. Tulevaisuudessa sovellusalojen kirjo näyttää vain kasvavan. Laserien suorituskyvyn ja ominaisuuksien kehittyessä niitä voidaan käyttää tavoilla, jotka yhdessä muun tekniikan kehityksen kanssa mahdollistavat uusien teknologioiden yleistymisen.

Olen suorittanut jatko-opintojani reilun vuoden verran Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa TTY:llä ja kerron tässä lyhyesti sovelluskohteista, joihin puolijohdelaserien kehitysprojektimme liittyvät. Tutkimuksessamme korostuu selkeästi kaksi puolta: materiaalitutkimus hyvälaatuisen lasermateriaalin valmistamiseksi sekä valmistustekniikoiden kehitys laadukkaiden komponenttien tuottamiseksi.

Sensoreita itseohjautuviin autoihin

Yksi suurimmista yhteiskuntaa tulevaisuudessa muokkaavista hankkeista lienee itseohjautuvien autojen kehittäminen. Monta teknistä ongelmaa on kuitenkin ratkaistava, ennen kuin autonomiset kulkuneuvot voivat yleistyä, ja yksi näistä ongelmista on autojen sensorijärjestelmä. Robottiautot voivat kerätä tietoa ympäristöstään useilla eri menetelmillä, joista yksi on LIDAR eli optinen tutka. Kehitämme tällaiseen LIDAR-järjestelmään soveltuvaa kompaktia puolijohdelaseria, joka pyrkii ratkaisemaan kaksi ongelmaa: silmäturvallisuusvaatimuksista aiheutuvat tehorajoitteet sekä huonoista sääolosuhteista, kuten sumusta, johtuvan suorituskyvyn heikkenemisen.

Keltaista valoa kompaktisti

Puolijohdelaserit ovat käytännöllisiä ja pienikokoisia valonlähteitä moneen sovellukseen. Yksi niiden merkittävä ongelma kuitenkin on, että tietyillä aallonpituuksilla laserdiodien valoteho ja hyötysuhde ovat huonoja, ja kaikkia aallonpituuksia ei ole lainkaan mahdollista tuottaa suoraan. Eräs ongelmallinen aallonpituusalue on keltaisen ja oranssin valon välimaastossa, ja tällaisella laservalolla olisi sovelluskohteita mm. lääketieteessä ja spektroskopiassa. Lähestymistapamme ongelman ratkaisuun on tuttu esimerkiksi vihreistä laserpointtereista: kehitämme infrapuna-alueella emittoivaa suuritehoista laserdiodia, jonka säteilemän valon aallonpituus puolitetaan taajuuskahdennuskiteellä. Näin on mahdollista rakentaa pienikokoinen, keltaista valoa emittoiva komponentti. Tähän tutkimuskohteeseen liittyen väitöskirjani ensimmäinen vertaisarvioitu artikkeli on juuri julkaistavana (https://doi.org/10.1109/LPT.2017.2760038).

Sulautettuja valonlähteitä piifotoniikkaan

Piifotoniikalla tarkoitetaan sovellusalaa, jossa piialustaa käytetään valon ohjaamiseen ja muokkaamiseen, ja sillä on useita käyttökohteita tiedonsiirrosta signaalinkäsittelyyn. Vaikka pii on hallitseva materiaali perinteisessä elektroniikassa, sitä ei voida käyttää valon synnyttämiseen tai vahvistamiseen, joten optisesti aktiiviset komponentit täytyy valmistaa muista materiaaleista. Ryhmämme tutkii tapoja sulauttaa nämä valonlähteet suoraan piifotoniikkapiirille, jolloin piireistä on mahdollista rakentaa pienikokoisempia ja monipuolisempia.

Antti Aho työskentelee väitöskirjatutkijana Optoelektroniikan tutkimuslaitoksella Tampereen teknillisellä yliopistolla tutkimusalanaan suuritehoiset, kapean viivanleveyden laserdiodit. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahaa jatko-opintoihinsa vuonna 2017.