Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Marco Will

Väitöskirjan nimi: Dynamics and correlations in low-dimensional electrical systems

Tohtoriopiskelija: Marco Will
Vastaväittäjä: Senior Lecturer Sergey Kafanov, Lancaster University, Iso-Britannia
Kustos: professori Pertti Hakonen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Matalaulotteiset sähköiset järjestelmät ovat tärkeä teknologia miniaturisoinnin kehityksessä. Grafeeni, kaksidimensionaalinen ihmemateriaali, ja sen yhden ulottuvuuden vastine, hiilinanotubus (CNT), ovat erityisen hyviä esimerkkejä matalaulotteisista järjestelmistä. Niillä on erinomaiset mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet, sillä ne ovat vahvempia kuin metallit ja toimivat erinomaisina johteina. Lisäksi ne ovat erittäin kevyitä. Näiden ominaisuuksien myötä on luonnollista käyttää niitä pieninä mekaanisina resonaattoreina, joita voidaan lukea sähköisesti.

Tässä työssä grafeenia ja CNT-mekaanisia resonaattoreita hyödynnetään erilaisten sovellusten tutkimiseen. Tätä tarkoitusta varten kokeet suoritettiin matalissa lämpötiloissa. Matalissa lämpötiloissa tutkittiin He-atomeiden järjestäytymistä CNT-mekaanisen resonaattorin pinnalla ja johdettiin faasidiagrammi. Lisäksi grafeenin mekaanisten resonaattoreiden yhdistäminen erittäin herkkiin koplanaarisiin mikroaaltokammioihin mahdollistaa laajan valikoiman kokeita. Aluksi tutkitaan näiden mekaanisten resonaattoreiden laadun tekijää, herkkyyden kvantifiointia, mikä antaa näkemyksiä tulevista parannuksista tällaisiin järjestelmiin. Tarkat häviökanavat määritetään yksittäisessä kokeessa. Toinen koe käyttää grafeenia epälineaarisena elementtinä, joka yhdessä koplanaarisen mikroaaltokammion mikroaaltosäteilyn pumppaamisen kanssa toimii signaalin vahvistimena gigahertsin taajuusalueella. Tämä alue on erityisen kiinnostava matalissa lämpötiloissa, sillä se on alue, jossa monet kvanttikokeet toteutetaan. Lisäksi tehdään kokeita grafeenin metallikontaktin aiheuttaman sähköisen kohinan tutkimiseksi. Laadun tekijän mittausten tavoin nämä kokeet antavat näkemyksiä sähköisistä häviöistä, raivaten tietä mahdollisille parannuksille.

Tämä väitöskirja sisältää monenlaisia kokeita, joissa käsitellään grafeenia ja hiilinanotubeja sekä niiden sovelluksia yhdessä muiden matalan lämpötilan ja mikroaaltoteknologioiden kanssa. Lisäksi koko prosessi kuvataan aina simuloinnista valmistukseen, mittaukseen ja datan analysointiin. Tämä tekee väitöskirjasta sekä laajan että merkityksellisen kaikille, jotka työskentelevät tällä alalla.

Avainsanat: grafeeni, hiilinanoputki, mekaaninen resonaattori, matala lämpötila, koplanaarinen aaltojohtoontelo, vahvistin, epälineaarinen elementti, helium, suprajohtavuus, valmistus, simulointi, analyysi, mittaus

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/ 

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52