Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Antti Karjalainen

Teollisuuden ja liikenteen sähköistäminen kasvattavat tarvetta pystyä kontrolloimaan yhä suurempia sähkötehoja. Sähkökomponenttien ominaisuuksien kehittäminen on mahdollista tiettyyn pisteeseen asti, mutta komponentteihin käytetty materiaali asettaa niiden ominaisuuksien lopulliset rajat. Siksi suurtehokomponenteissa ollaankin tällä hetkellä siirtymässä nykyisistä piipohjaisista komponeneteista uuden sukupolven piikarbidikomponentteihin. Tutkimuslaboratoriot Suomessa ja muualla tähyävät kuitenkin jo piikarbidia pidemmälle.

Beta-galliumoksidi (β-Ga₂O₃) on puolijohdemateriaali, josta kaavaillaan suurtehoelektroniikan seuraavaa askelta piikarbidin jälkeen. Beta-galliumoksidi voi mahdollistaa entistä suurempien sähkötehojen hallinnan sekä myös piikarbidia halvempien valmistusteknologioiden käytön. Beta-galliumoksidin kehitys on nykyisin siinä pisteessä, että yksittäisten atomien kokoiset rakennevirheet alkavat olla yksi suurimmista sen sähköisiä ominaisuuksia rajoittavista tekijöistä.

Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin kahta tutkimusasteella olevaa puolijohdemateriaalia, beta-galliumoksidia ja strontiumtitanaattia (SrTiO₃). Menetelmänä käytettiin atomitason rakennevirheiden havainnointiin hyvin soveltuvaa positroniannihilaatiospektroskopiaa ja uusimpia teoreettisia mallinnustekniikoita. Työssä ratkaistiin, miten beta-galliumoksidin tutkimusta aiemmin haitannut positronisignaalin poikkeuksellinen suuntariippuvuus toimii. Ilmiön ymmärtäminen oli välttämätön ensiaskel, jotta missään päin maailmaa oli mahdollista käyttää positronimenetelmiä rakennevirheiden tutkimiseen luotettavasti tässä materiaalissa. Tarkempi tarkastelu osoitti, että suuntariippuvuus sisältääkin hyödyllistä lisäinformaatiota. Oikein käytettynä tämä lisäinformaatio mahdollistaa rakennevirheiden tunnistamiseen tilanteissa, joissa tunnistus olisi vanhoilla lähestymistavoilla mahdotonta.

Suuntariippuvuuden lisäinformaatiota hyödyntäen havaittiin, että beta-galliumoksidin sähkönjohtavuuden katoaminen liittyy tietyntyyppisten galliumvakanssivirheiden muodostumiseen. Tulokset viittaavat lisäksi siihen, että vetyepäpuhtaudet ovat toinen merkittävä beta-galliumoksidin sähkönjohtavuuteen vaikuttava tekijä. Havainnot rakennevirheiden ja sähköisten ominaisuuksien yhteydestä mahdollistavat kyseisten rakennevirheiden eliminoinnin valmistusprosesseissa. Tämä taas tuo tutkittuja materiaaleja lähemmäksi pistettä, jossa niitä voidaan hyödyntää käytännön sovelluksissa.

Vastaväittäjä on professori Michael Scarpulla, The University of Utah, Yhdysvallat

Kustos on professori Peter Liljeroth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Tohtoriopiskelijan yhteystiedot: [email protected]

Väitöstilaisuus järjestetään etäyhteydellä Zoomissa. Linkki tilaisuuteen

Zoom pikaopas

Väitöskirja on julkisesti nähtävillä 10 päivää ennen väitöstä Aalto-yliopiston julkaisuarkiston verkkoriiputussivulla.

Elektroninen väitöskirja