Väitös teoreettisen ja laskennallisen fysiikan alalta, DI Tomi Ketolainen

Diplomi-insinööri Tomi Ketolainen väittelee perjantaina 8.2.2019 klo 13 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa salissa M1, Otakaari 1, Espoo. Väitöskirjassa "Electrical conductivity of functionalized carbon nanotube networks" tutkittiin siirtymämetalliatomien ja erilaisten molekyylien vaikutusta hiilinanoputkiverkkojen sähkönjohtavuuteen. Erityisesti liitoksia, joissa hiilinanoputket oli liitetty toisiinsa siirtymämetalliatomilla tai seostettu molekyyleillä, tarkasteltiin käyttäen elektronikuljetuslaskuja.

Hiilinanoputkiverkoissa suuri määrä hiilinanoputkia muodostaa läpinäkyvän, taipuvan ja sähköä johtavan ohutkalvon, jota voidaan käyttää elektrodina optoelektroniikan sovelluksissa kuten kosketusnäytöissä tai aurinkokennoissa. Ohutkalvoissa tärkeää on hyvä sähkönjohtavuus, jota voidaan parantaa käsittelemällä hiilinanoputkiohutkalvot siirtymämetalliatomeilla tai tavanomaisilla hapoilla, mikä on todettu aiemmissa kokeellisissa tutkimuksissa. Tässä työssä tarkastellaan laskennallisesti siirtymämetalliatomien ja käsittelyssä syntyvien molekyylien (esimerkkeinä kultakloridi- ja nitraattimolekyylit) vaikutusta hiilinanoputkiin. Molempien tapojen ennustetaan kasvattavan hiilinanoputkien välisten liitosten ja koko verkon sähkönjohtavuutta.

Työn menetelmät perustuvat tiheysfunktionaaliteoriaan yhdistettynä elektronikuljetuslaskuihin. Simuloinnit suoritetaan tietokoneohjelmilla, joita ajetaan isoissa laskentaklustereissa. Tulosten perusteella liitoksessa, jossa hiilinanoputket linkittyvät toisiinsa siirtymämetalliatomilla, eri osien molekyyliorbitaalit kytkeytyvät voimakkaasti keskenään, mikä selittää merkittävän sähkönjohtavuuden kasvamisen. Toisessa lähestymistavassa kultakloridi- ja nitraattimolekyylit sitoutuvat nanoputkien pinnalle, mistä seuraa varauksenkuljettajien määrän kasvu putkessa. Tämä seostusilmiö on myös hyvin vakaa. Lisäksi tulosten mukaan puolijohtavien hiilinanoputkien sähkönjohtavuus kasvaa enemmän kuin metallisten putkien sähkönjohtavuus. Työn tulokset auttavat ymmärtämään viimeaikaisia kokeellisia tuloksia ja ovat hyödyllisiä kehitettäessä uusia laitesovelluksia.

Vastaväittäjä: professori Mads Brandbyge, Danmarks Tekniske Universitet, Tanska

Kustos: professori Martti Puska, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Elektroninen väitöskirja: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8384-1