Piille löytyy elektroniikassa lupaavia haastajia, mutta niiden säteilynkestävyys on arvoitus – tutkimusprojekti kehittää tehokasta tapaa säteilyvaurioiden ennustamiseen

Puolijohdemateriaaleilla on ollut ratkaiseva rooli nykyteknologian kehityksessä tietokoneista aurinkokennoihin. Myös monet kovan hiukkassäteilyn ympäristössä käytettävät laitteet, kuten satelliitit, ydinreaktorit ja hiukkaskiihdyttimet, ovat riippuvaisia puolijohteita sisältävästä teknologiasta. Säteily kuitenkin aiheuttaa materiaaliin vaurioita, jotka lyhentävän laitteiden elinkaarta ja häiritsevät niiden toimintaa.

Aalto-yliopistolla alkava uusi tutkimusprojekti on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC) miljoonarahoituksen puolijohteiden säteilyvaurioiden parempaan ennustamiseen. Uusi ennustamisen tapa voisi lisätä laitteiden käyttöikää ja edistää uusien materiaalien käyttöönottoa erilaisissa elektronisissa komponenteissa.

Tällä hetkellä säteilyvaurioita ennustetaan pääasiassa empiiristen tutkimustulosten avulla. Aalto-yliopiston tutkijat pyrkivät ennustamaan ja selittämään vaurioita lähtemällä liikkeelle fysiikan teoriasta eli ilmiötä selittävistä matemaattisista malleista.

“Teemme kvanttimekaniikan mallien perusteella tietokonesimulaatioita, joiden pohjalta voidaan sekä selittää että ennustaa vaurioiden muodostuminen ja niiden rakenne”, kertoo rahoituksen saanut apulaisprofessori Andrea Sand.

Tutkijat vertaavat simulaatioiden tuottamia ennusteita empiiristen kokeiden tuomiin tuloksiin, esimerkiksi elekronimikroskooppikuviin. Näin he pystyvät sekä vahvistamaan simulaatioon perustuvien ennusteiden paikkansapitävyyden että tuottamaan aiempaa parempaa ymmärrystä vaurioiden synnystä ja luonteesta.

“Koska simulaatio perustuu fysiikan käsitteisiin ja malleihin, se antaa meille samalla selityksen käsillä olevasta ilmiöstä. Tätä ei välttämättä saada pelkästään empiirisistä kokeista.”

Irti nykymateriaalien asettamista rajoista

Pii on nykyään eniten käytetty puolijohdemateriaali. Se on ollut avainroolissa tietokoneiden laskentatehon huimassa kasvussa viime vuosina, mutta materiaalin rajat ovat tulleet vastaan.

“Piillä on menty melkeinpä niin pitkälle kuin pystytään. Nyt haetaan uusia materiaaleja, jotka pystyisivät vielä parempaan”, Sand kertoo.

Piin korvaamista kovan hiukkassäteilyn ympäristöissä käytettävissä laitteissa hidastaa osaltaan se, että uusien materiaalien toimivuus säteilyolosuhteissa on pitkälti arvoitus. Tähän Sandin tutkimus voi tuoda helpotusta: jos tutkijat oppivat ennustamaan säteilyvaurioita empiiristen kokeiden sijaan matemaattisten mallien pohjalta, uusien materiaalien käyttäytymisestä voidaan saada tietoa paljon nykyistä nopeammin ja helpommin.

“Uusien materiaalien säteilynkestävyyden selvittäminen kokeellisesti on kallista ja vie paljon aikaa. Jos – ja kun – onnistumme luotettavasti mallintamaan nyt käytössä olevien puolijohteiden säteilyvaurioita fysiikan perusteista lähtien, voimme ottaa seuraavan askeleen ja tehdä tällaisia ennusteita myös uusille materiaaleille. Ennusteiden tekeminen laskennallisesti vähentää merkittävästi kokeellista kuormaa.” 

Sandin saama rahoitus on 1,5 miljoonan euron ERC Starting Grant. Projekti on viisivuotinen ja se käynnistyy ensi vuonna