Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Petri Hirvonen

Diplomi-insinööri Petri Hirvosen väitöskirjassa "Phase field crystal modeling of two-dimensional materials" sovellettiin onnistuneesti faasikenttäkidemalleja kidevirheellisten kaksiulotteisten materiaalien ja niiden mikroskooppisen rakenteen hitaan kehityksen mallintamiseen. Nämä mallit ja työssä kehitetyt muut menetelmät auttavat syventämään kaksiulotteisten materiaalien rakenteen ja ominaisuuksien tuntemusta.

Faasikenttäkidemallit (eng. phase field crystal, PFC) soveltuvat erinomaisesti kaksiulotteisten (eng. two-dimensional, 2D) eli yksittäisen atomikerroksen paksuisten materiaalien mallintamiseen. Tässä väitöskirjassa osoitetaan, että yksinkertaiset PFC-mallit kuvaavat mikroskooppisia rakenteita todenmukaisesti ja voivat jopa ennustaa niiden muodostumiseen vaadittavan energian hyvin. Näytimme myös, että PFC-malleilla voidaan tuottaa laadukkaita alkutiloja muille mallinnusmenetelmille, joilla tutkitaan lämmön siirtymistä ja muita ilmiöitä, joita PFC ei kuvaa. Kehitimme lisäksi lukuisia analyysi- ja muita apumenetelmiä tutkimuksen tueksi, mm. algoritmi kideorientaation tunnistamiseksi monikiteisissä systeemeissä ja edelleen näiden osioimiseksi erillisiksi kiteiksi. Tämä on ensimmäinen kaltaisensa menetelmä, joka soveltuu tavallisten kiteisten rakenteiden lisäksi myös jaksottomille kvasikiteille.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin laskennallisesti 2D-materiaaleja PFC-malleja soveltaen. Virheettömillä 2D-materiaaleilla on erinomaisia ominaisuuksia, mm. suuri lujuus suhteessa niiden paksuuteen sekä hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus. Atomikerroksen paksuisten virheettömien rakenteiden valmistaminen on kuitenkin osoittautunut haastavaksi ja lopputuote onkin tyypillisesti monikiteinen tilkkutäkki, jossa on useita raerajojen erottamia kiteitä. Raerajat ovat viivamaisia kidevirheitä ja voivat mm. heikentää materiaalin lujuutta ja sen johtavuutta. Kidevirheiden muodostuminen ja niiden vaikutus materiaaliominaisuuksiin tunnetaan vajavaisesti johtuen ongelmaan liittyvistä lukuisista pituus- ja aikaskaaloista. Lupaava lähestymistapa ongelmaan ovat hiljattain kehitetyt PFC-mallit, jotka kuvaavat kiteisiä materiaaleja tarvittavilla pituus- ja etenkin aikaskaaloilla.

Vastaväittäjä: Dr. Ben Goddard, The University of Edinburgh, UK

Kustos: professori Tapio Ala-Nissilä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos