Väitös optoelektroniikan ja fotoniikan alalta, DI Christoffer Kauppinen

Diplomi-insinööri Christoffer Kauppinen kehitti väitöskirjassaan uusia skaalattavia nanovalmistustekniikoita optiikan ja nanoelektroniikan sovelluksiin. Kehitetyt tekniikat mahdollistavat muun muassa seuraavan sukupolven aurinkokennot, lähes häviöttömän optiikan ja uudenlaiset korkean suorituskyvyn transistorit. Nanoteknologian polttavimpia rajoitteita on nanovalmistustekniikoiden skaalattavuus, eli kuinka helposti suuria määriä nanomittakaavan laitteita tai rakenteita voidaan valmistaa. Hyvinkin hienoja nanorakenteita on pystytty valmistamaan, mutta käytetyt tekniikat ovat olleet hitaita, kalliita tai muuten rajoittuneita.

Ensimmäinen tekniikka oli laajojen galliumarsenidi (GaAs) nanolankahilojen valmistus laser-interferenssilitografialla, plasmaetsauksella ja metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla (kiteenkasvatustekniikka). Näitä nanolankahiloja voidaan käyttää esimerkiksi seuraavan sukupolven korkean hyötysuhteen aurinkokennojen valmistamiseen. Nanolankojen avulla tarvitaan vain murto-osa tavallisten aurinkokennojen raaka-aineista.

Alumiinioksidinanoruohon valmistus ja käyttö täydellisenä heijastuksenestokalvona lasille oli toinen kehitetty tekniikka. Lasille tai muille matalan taitekertoimen aineille kuten muoveille se on miltein täydellinen heijastuksenestokalvo. Alumiinioksidinanoruohopinnoite lasilla nostaa näkyvän valon transmittanssin eli läpäisyn 92%:sta 99%:iin. Lisäksi valon läpäisy muuttu lähes kulmariippumattomaksi, eli myös korkean tulokulman valo läpäisee lasin. Tämä mullistaa optiset pinnoitteet ja optiikan, sillä haitallisista heijastuksista päästään eroon esimerkiksi kamerajärjestelmissä tai sensoreissa. Lisäksi menetelmää voidaan soveltaa äärimmäisen hankalille pinnanmuodoille, joita ei voida muutoin pinnoittaa. Alumiinioksidinanoruoho valmistetaan pinnoittamalla haluttu kappale alumiinioksidilla käyttäen atomikerroskasvatusta (ALD) ja käsittelemällä kyseinen kalvo lämpimällä vedellä. Tavallisia, tasaisia ALD-alumiinioksidipinnoitteita käytetään jo kaupallisesti erittäinkin suurten kappaleiden päällä, sekä yleisesti elektroniikan valmistuksessa.

Atomikerrosetsaus on Suomessa kehitetyn atomikerroskasvatuksen vastakohta. Atomikerrosetsaus poistaa hyvin ohuen kerroksen materiaalia, jopa vain yhden atomikerroksen kerrallaan. Väitöskirjassa kehitettiin atomikerrosetsausprosessi GaN (0001) -kidetasoa varten. GaN eli galliumnitridi on valkoisissa hohtodiodeissa eli LEDeissä käytetty materiaali, jota käytetään myös tehoelektroniikassa. Tekniikalla voidaan postaa yksi molekulaarinen kerros (Ga + N) kerrallaan galliumnitridiä. Menetelmää voidaan käyttää atomintarkkojen nanorakenteiden ja korkealiikkuvuustransistorien valmistamiseen.

Vastaväittäjänä toimii professori Markku Leskelä, Helsingin yliopistosta.

Kustoksena on professori Markku Sopanen Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, elektroniikan ja nanotekniikan laitos.

Väitöksen verkkosivu
Väittelijän yhteystiedot: Christoffer Kauppinen, Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu, elektroniikan ja nanotekniikan laitos, [email protected]