Muutaman atomin kerros voi tehdä ihmeitä

”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

”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

”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