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.

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.

 

Uusimmat artikkelit

Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 9.10.2019

Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen 9.10.2019/Text: Mikael Ritamäki Kevyempää tehoelektroniikkaa paremmilla muoveilla Muovikondensaattoreita käytetään esimerkiksi tehoelektroniikassa, jota käytetään uusiutuvan sähköenergian siirtoon vaikkapa merituulivoimapuistoista kulutuskeskuksiin. Nykyisellä tekniikalla toteutetut muovikondensaattorit ovat luotettavia mutta varsin isoja ja painavia: parempia sähköeristemateriaaleja kehitetään, jotta kondensaattoreita käyttävistä laitteista saataisiin pienempiä ja kevyempiä. Varsinkin sähköverkkosovelluksissa muovikondensaattoreita vaaditaan pitkää, kymmenien vuosien käyttöikää, joten uusia … Jatka artikkeliin Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen

Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 30.9.2019

Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics 30.9.2019 / text: Aayush Jaiswal The world is turning into a global village and consequently, food products from around the world are becoming ubiquitous in the store where you buy your grocery every week. Have you ever wondered what keeps these products fresh and delicious? … Jatka artikkeliin Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics

Tekoäly auttaa patologia

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 24.9.2019

Tekoäly auttaa patologia 24.9.2019/Text: Kimmo Kartasalo Onko koneellisesti suoritettu syöpädiagnoosi osoitus muovikuorien sisällä surisevasta älystä? Tämä kysymys on muodostunut kahvipöydän kestosuosikiksi kehittäessämme koneoppimismenetelmää eturauhassyövän diagnosoimiseksi digitalisoiduista koepaloista. Niin sanottuihin syviin neuroverkkoihin pohjautuvat koneoppimisen menetelmät ovat viime vuosina näyttäneet kyntensä niin autoilussa kuin lautapeleissä – ja valloitettavia ongelmia ammennetaankin väitöskirjatyöni tapaan yhä enemmän myös lääketieteestä.   … Jatka artikkeliin Tekoäly auttaa patologia