Muutaman atomin kerros voi tehdä ihmeitä

Tuomo Suntolan kehittämä atomikerroskasvatusteknologia eli ALD mullisti tietotekniikan 2000-luvulla. Nyt tutkijat tekevät sen avulla parempia katalyyttejä, ennätystehokkaita aurinkokennoja ja hybridimateriaaleja, jotka kuljettavat lääkkeitä ja tuottavat sähköä kehon hukkalämmöstä.
Illustration of various ALD applications by Ida-Maria Wikström.
Hele Savin. Kuva: Karoliina Vuorenmäki.
Hele Savin. Kuva: Karoliina Vuorenmäki.

”Tutkimusryhmäni kehittää mustia piikennoja eli nanorakenteisia aurinkokennoja. Rakenteen ansiosta kennot pystyvät nappaamaan auringon valon eli fotonit myös hyvin alhaisesta tulokulmasta ja tuottavat siksi sähköä myös aamulla, illalla ja pimeämpinä vuodenaikoina.

Jotta fotonien synnyttämät elektronit saadaan tehokkaasti talteen kennon pinnalta, pinta pitää päällystää passivointikerrokseksi kutsutulla ohutkalvolla. Koska pinnan nanorakenteet ovat niin pieniä, ainoa tapa valmistaa niiden muotoja seuraava kalvo on käyttää ALD:tä – muilla menetelmillä se jäisi vain irralliseksi kalvoksi rakenteen päälle.

Aurinkokennon toiminnan kannalta on tärkeää, että etupinnalla oleva ohutkalvo päästää kaiken valon lävitseen. Yleisin kalvoissa käyttämämme materiaali on alumiinioksidi eli hapen ja alumiinin seos, mutta kaikki materiaalit, jotka muodostavat hyvän rajapinnan piin kanssa, ovat toimivia. Meillä on jo hallussamme nanorakenteisten aurinkokennojen hyötysuhteen maailmanennätys, 22,1 %, mutta tutkimme koko ajan uusia materiaaleja – voimmehan löytää vielä parempia.

Johtamani elektronifysiikan tutkimusryhmän juuret ovat vuonna 1969 perustetussa Elektronifysiikan laboratoriossa – samassa paikassa, josta ALD:n keksijä Tuomo Suntola väitteli vuonna 1971. Nykyisin Micronovan puhdastiloissa on meidän lisäksemme useita tutkimusryhmiä, jotka hyödyntävät ALD:tä esimerkiksi optoeletroniikan ja fotoniikan sovelluksissa. ”

Professori Hele Savin

Riikka Puurunen. Kuva: Erkki Pöytäniemi.
Riikka Puurunen. Kuva: Erkki Pöytäniemi.

”Tutkin ALD:n käyttöä katalyysissä. Katalyytit ovat aineita, jotka nopeuttavat kemiallisia reaktioita itse niissä kulumatta. Olen erikoistunut heterogeenisiin katalyytteihin. Ne ovat kiinteitä aineita, joissa on suuri pinta ala; yhteen grammaan voi hyvin mahtua 300 neliömetriä.

Katalyyttejä tehdään toki ilman ALD:täkin, ja teollisuudessa niitä käytetään valtavia määriä. Perinteiset valmistusprosessit eivät kuitenkaan ole kovin hallittuja, ja lopputulos, esimerkiksi katalyyttisen metallin partikkelikoko, voi vaihdella paljon.

ALD:n avulla voimme tehdä katalyyttejä erittäin hallitusti ja toistettavasti. Näin niistä saadaan toimivampia itse katalyyttisessä prosessissa ja myös kokeisiin liittyvä mallinnus yksinkertaistuu. ALD:llä voidaan myös tehdä katalyytteihin pinnoitteita, jotka estävät metallipartikkelien kasautumisen. Siten katalyytit pysyvät pidempään aktiivisina kovissakin olosuhteissa.

ALD:ssä tapahtuvat pintareaktiot ovat aina kiinnostaneet minua. Vaikka teknologia tuli teolliseen käyttöön jo 1980-luvulla, todellinen ymmärrys menetelmän toiminnasta on syntynty vasta jälkikäteen. Tieteellisen ymmärryksen kasvaessa pystymme myös hyödyntämään teknologiaa monipuolisemmin.”

Professori Riikka Puurunen

Maarit Karppinen. Kuva: Anni Hanen.
Maarit Karppinen. Kuva: Anni Hanen.

”Yleensä ALD:tä käytetään, kun tunnetuista materiaaleista, kuten yksinkertaisista metallioksideista, halutaan tehdä laadukkaita ohutkalvoja. Minä olen kuitenkin erikoistunut tekemään sen avulla monimutkaisempia ja ennen tuntemattomia materiaaleja.

Viimeiset seitsemän vuotta olemme ryhmäni kanssa keskittyneet hybridimateriaaleihin, joissa yhdistetään epäorgaanisiin kerroksiin orgaanisia kerroksia MLD:n eli molekyylikerroskasvatuksen avulla. Tavoitteeni on saada yhteen ja samaan ohutkalvoon sekä epäorgaanisten että orgaanisten materiaalien parhaat puolet.

Hybridimateriaalit ovat lupaavia esimerkiksi termosähköisinä eli hukkalämmön suoraan sähköksi muuttavina materiaaleina.

Termosähköisten materiaalien pitäisi johtaa hyvin sähköä ja huonosti lämpöä, mikä on tavanomaisille materiaaleille, kuten sinkkioksidille, ristiriitainen vaatimus. Kun sähköä hyvin johtavaan sinkkioksidiin lisätään orgaanisia kerroksia, ne vähentävät materiaalin lämmönjohtavuutta ja lisäävät samalla sen joustavuutta. Joustavuus on tärkeää, jos termosähköisiä materiaaleja halutaan käyttää esimerkiksi vaatteissa. Vähän samalla ajatuksella olemme tehneet myös joustaviin hybridiohutkalvoihin perustuvan ohutkalvomikroakun. 

Yleensä ohutkalvojen materiaalit ovat amorfisia, eli niillä ei ole kalvossa kiderakennetta. Haaveeni on valmistaa kiteisiä hybridikalvoja ja saada näin kalvoille uusia hyödynnettäviä ominaisuuksia. Hybridimateriaaleilla on tyypillisesti hyvin avoin kiderakenne. Siinä on sopivia nanokokoisia huokosia, jotka pystyvät valikoiden absorboimaan erilaisia pienikokoisia molekyylejä. Kiteisille hybridikalvoille olisikin käyttöä esimerkiksi sensoreina, ilman ja veden puhdistamisessa, kaasun säilyttämisessä ja lääkkeiden kuljettamisessa.”

Professori Maarit Karppinen

Aalto-yliopiston alumni, tekniikan tohtori Tuomo Suntola kehitti atomikerroskasvatusteknologian ja ohutkalvojen valmistuslaitteiston 1970-luvulla.

Tekniikassa kaasumaista ainetta tai yhdistettä suihkutetaan reaktorin kammioon. Päällystettävä pinta sitoo ainetta tai yhdistettä itseensä vain sen verran, että se peittyy täysin, eli korkeintaan yhden atomi- tai molekyylikerroksen verran. Tämän jälkeen ylimäärä huuhdellaan pois ja kammioon päästetään toista ainetta tai yhdistettä. Prosessi toistetaan, kunnes kalvo on halutun paksuinen.

ALD:n käyttö räjähti 2000-luvulla, kun elektroniikkateollisuus ymmärsi sen mahdollisuudet puolijohdekomponenttien valmistuksessa. Menetelmän avulla voidaan valmistaa äärimmäisen ohuita sähköä eristäviä tai johtavia kalvoja, joita tarvitaan mikropiireissä ja muistikomponenteissa.

Suntolan innovaatio on yksi keskeinen tekijä siinä, että kuuluisa Mooren laki on jatkunut aina tähän päivään saakka: mikropiirien teho on kaksinkertaistunut parin vuoden välein hintojen kuitenkin samalla laskiessa ja osien pienentyessä.

Teknologiaa käytetään laajasti matkapuhelimissa, tietokoneissa ja muussa elektroniikassa. Sen uskotaan leviävän myös terveysteknologisiin ratkaisuihin.

Tuomo Suntolalle myönnettiin toukokuussa 2018 miljoonan euron arvoinen Millennium-teknologiapalkinto.

”ALD on demokratisoinut tietotekniikan omistamista ja sen myötä ihmiskunnan tiedonsaantia ja viestintämahdollisuuksia”, kansainvälisen palkintolautakunnan puheenjohtaja, Aalto-yliopiston akatemiaprofessori Päivi Törmä perusteli valintaa.

Tuomo Suntola. Kuva: Lasse Lecklin.
Millennium-palkittu fyysikko Tuomo Suntola piti toukokuussa avoimen yleisöluennon atomikerroskasvatuksesta. Kuva: Lasse Lecklin.

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 23 (issuu.com) lokakuussa 2018. 

Teksti: Minna Hölttä.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Professori Tuukka Saarimaa seisomassa tyhjällä nurmikentällä, joka sijaitsee Helsingin keskustassa Oodi-kirjaston ja musiikkitalon välisellä puistoalueella. Kuvaaja: Jaakko Kahilaniemi.
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Miten täyttäisit joutomaan, Tuukka Saarimaa?

Tulipa tontille puisto tai tornitalo, kaupunkitaloustieteen professori huolehtisi siitä, että ratkaisu punnitaan tarkkaan.
Kuvassa on professori Vesa Välimäki kuulokkeet päässään ja hänen vieressään akatemiatutkija Koray Tahiroğlu, joka soittaa yksikielistä monokordia. Kuvaaja: Jaakko Kahilaniemi.
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Silitys soikoon

Tekniikka voi tehdä soittajan kenestä tahansa. Aivot rakastavat musiikkia, mutta korvien kanssa pitää olla tarkkana.
Henkilökuvassa Helsinki Design Weekin perustaja Kari Korkman. Kuvaaja: Aleksi Poutanen.
Aalto Magazine, Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Muotoilun edistäjä

Jokaisen ihmisen kanssa voi tehdä yhteistyötä, Kari Korkman uskoo. Helsinki Design Week -tapahtuman perustaja innostuu porukalla ideoimisesta.
Käsi pitelee neula-tyyppistä anturia, joka soveltuu esimerkiksi mittauksiin aivoleikkeissä. Anturin kärjen halkaisija on vain yhden mikrometrin suuruinen. Kuvaaja: Iiro Immonen.
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Pienen pieni anturi, suuren suuri tehtävä

Millin tuhannesosien kokoinen anturi kertoo lääkärille, toimiiko annettu hoito aivoissa.