Väitös kehittyneiden materiaalien ja fotoniikan alalta, FM Suvi-Tuuli Varjamo

Väitöskirjan nimi: Optical Modification of 2D Materials

Väittelijä: Suvi-Tuuli Varjamo
Vastaväittäjä: Prof. Zhiwen Liu, The Pennsylvania State University, Yhdysvallat
Kustos: Prof. Zhipei Sun, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Kaksiulotteiset (2D) materiaalit ovat yhden atomikerroksen paksuisia aineita, joilla on poikkeuksellisia optisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Niitä on tutkittu laajasti jo yli 20 vuoden ajan, sillä ne ovat erittäin lupaavia materiaaleja erityisesti miniatyyrikokoisille sovelluksille lähes kaikilla tienteenaloilla ja voivat jopa taata Mooren lain paikkansapitävyyden eli mikropiirien komponenttien määrän kaksinkertaistumisen noin kahden vuoden välein myös tulevaisuudessa. 

2D materiaalien valmistuksen ja niiden ominaisuuksien muokkauksen laajamittainen toteutus on kuitenkin ympäristön ja kustannustehokkuuden kannalta haastavaa. Tyypillisen 2D materiaalista valmistetun sähköisen kanavan valmistusprosessi sisältää materiaalin valmistuksen, polymeerimaskauksen kuviointia varten, ylimääräisten alueiden etsaamisen, sekä ohutkalvopinnoituksen elektrodien tai muiden toiminnallisten kerrosten aikaansaamiseksi. Tehokkaat ja suorituskykyiset sovellukset edellyttävät lisäksi tarkkaa materiaaliominaisuuksien hallintaa. Ihannetilanteessa lähes kaikki nämä vaiheet voitaisiin toteuttaa laservaloon pohjautuvilla menetelmillä, jotka ovat sekä tehokkaita, että helposti saatavilla olevia ja halpoja ratkaisuja prosessin eri vaiheisiin. 

Tämä väitöskirja tutkii valoon pohjautuvia 2D materiaalien valmistukseen ja muokkaukseen käytettäviä menetelmiä, keskittyen erityisesti hyödyllisten laserilla luotujen rakenteellisten kidevirheiden hallittuun muodostamiseen. Tämä ns. optinen kidevirhetekniikka osoittautuu tehokkaaksi keinoksi luoda uusia tiloja materiaalin energiavyöaukkoon, parantaen merkittävästi puolijohteisten 2D materiaalien epälineaarisia optisia ominaisuuksia. Lisäksi erilaisista 2D materiaaleista koostuvien heterorakenteiden yhtäaikaisen lasermuokkauksen todetaan aiheuttavan ainutlaatuisia rakenteellisia muutoksia, jotka parantavat optista vastetta ja muuttavat merkittävästi rakenteen sähköistä suorituskykyä. 

Tämä työ syventää ymmärrystä laserin aiheuttamista rakenteellisista ja toiminnallisista muutoksista 2D materiaaleissa, ja esittelee skaalautuvia, kustannustehokkaita optisia menetelmiä niiden tarkkaan ja hallittuun muokkaukseen. Kehitetyt tekniikat tarjoavat lupaavan lähestymistavan 2D materiaalien integroimiseksi edistyneisiin sovelluksiin, kuten ympäristöantureihin ja kvanttilaitteisiin, mahdollistaen samalla nopeammat, pienikokoisemmat ja energiatehokkaammat järjestelmät yksinkertaisemmalla valmistusprosessilla.

Avainsanat: kaksiulotteiset materiaalit, optinen muokkaus

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc 

Yhteystiedot: suvi-tuuli.varjamo@aalto.fi