Nanometrikokoluokan ohutkalvomateriaalien monet sovelluskohteet

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.

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

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.