Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Aslam Shaikh

Väitöskirjan nimi: New stochastic and computational approaches in atom probe tomography  

Väittelijä: Aslam Shaikh
Vastaväittäjä: professori Mattias Thuvander, Chalmers University of Technology, Ruotsi
Kustos: professori Mikko Alava, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Tämä väitöskirja edistää ymmärrystämme atomikoetintomografiasta (atom probe tomography, APT), joka on mikroanalyysimenetelmä materiaalien kolmiulotteiseen atomitason kartoitukseen, sekä tarkastelee, miten sen tarkkuutta voidaan parantaa. APT on tärkeä materiaalitieteessä, koska sen avulla tutkijat voivat havaita materiaalien pienimmät rakenteelliset ja kemialliset piirteet. Nämä piirteet vaikuttavat suoraan materiaalin suorituskykyyn, kestävyyteen ja luotettavuuteen.

Tutkimuksen tavoitteena oli parantaa ymmärrystämme APT:n taustalla olevasta fysikaalisesta prosessista, kenttähaihtumisesta. Nykyiset rekonstruointimenetelmät olettavat yleensä, että atomit irtoavat pinnasta yksinkertaisella tavalla, toisistaan riippumatta ja ennustettavasti. Tämä tutkimus osoittaa, että prosessi on sen sijaan osittain satunnainen ja voimakkaasti riippuvainen paikallisesta atomisesta ympäristöstä, pinnan muutoksista sekä vierekkäisten atomien kollektiivisista vaikutuksista.

Väitöskirja on merkityksellinen sekä atomikoetintutkimukselle, että laajemmalle materiaalien karakterisoinnin kentälle, koska se käsittelee perustavanlaatuista rajoitetta siinä, miten kokeellista dataa saadaan ja tulkitaan. APT keskittyy pitkälti tämän datan rekonstruointiin. Parempi ymmärrys kenttähaihtumisesta voi parantaa rekonstruoinnin tarkkuutta ja luotettavuutta, millä on vaikutuksia metallien, puolijohteiden, energiamateriaalien ja muiden kehittyneiden materiaalijärjestelmien atomitason analyysiin.

Keskeiset tulokset osoittavat ensinnäkin, että pienet satunnaiset häiriöt ioniemissiossa ovat kenttähaihtumisen luontainen osa ja auttavat selittämään kokeissa havaittuja ilmaisinartefakteja. Toiseksi, monimutkaisissa materiaaleissa haihtuminen ei etene yksittäisinä tapahtumina, vaan korreloituneina, vyörymäisinä purkauksina, joissa esiintyy ajallisia ja paikallisia korrelaatioita. Kolmanneksi, väitöskirjassa esitetään uusi todennäköisyyspohjainen rekonstruointimenetelmä, joka hyödyntää gaussiseen prosessiin perustuvaa regessiomenetelmää ja kykenee oppimaan ilmaisindatan korrelaatioita tuottaen tarkempia kolmiulotteisia rekonstruointeja kuin perinteiset geometriset menetelmät.

Tässä väitöskirjassa esitetyt edistysaskeleet avaavat tien fysikaalisesti johdonmukaisempiin atomikoetinsimulaatioihin ja tarkempiin rekonstruointialgoritmeihin. Pitkällä aikavälillä tämä voi tukea parempien materiaalien suunnittelua tarjoamalla tutkijoille entistä tarkemman kuvan materiaalien rakenteesta ja koostumuksesta.

Avainsanat: atomikoetintomografia, korreloitunut kenttähaihtuminen, näytteen rekonstruointi

Yhteystiedot: https://www.linkedin.com/in/aslamshaikh9911/ 

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.