Artikkeli

Artikkeli

Millennium-palkitulla ALD-teknologialla tehdään huipputehokkaita aurinkokennoja

23.5.2018
Tohtorikoulutettava Jesse Saari valmistaa TTY:n ALD-reaktorilla titaanidioksidi- ja alumiinioksidiohutkalvoja aurinkoenergiasovelluksiin.

Tohtorikoulutettava Jesse Saari valmistaa TTY:n ALD-reaktorilla titaanidioksidi- ja alumiinioksidiohutkalvoja aurinkoenergiasovelluksiin.

TAF:n Millennium-teknologiapalkinto myönnettiin tänä vuonna suomalaiselle keksijälle, fyysikko Tuomo Suntolalle ohutkalvojen atomikerroskasvatuksen eli ALD-menetelmän kehittämisestä. ALD on tutkijoiden käytössä myös TTY:llä esimerkiksi huipputehokkaiden, taipuisien aurinkokennomateriaalien kehityksessä.

Tekniikan Akatemia -säätiö TAF:n Millennium-teknologiapalkinnon sai tänä vuonna suomalaisfyysikko Tuomo Suntola, jonka kehittämä ALD-menetelmä (Atomic Layer Deposition) on maailmanlaajuisessa käytössä nanoteknologian alalla. Suntola nimitettiin Tampereen teknillisen yliopiston dosentiksi vuonna 1976.

ALD-menetelmällä voidaan kasvattaa erittäin tasaisia ja tarkkarajaisia ohutkalvoja sellaisten materiaalien pinnoille, joita hyödynnetään monissa arkipäivän sovelluksissa, kuten CD-soittimissa, kuituoptisista tietoliikennejärjestelmissä, viivakoodinlukijoissa, materiaalien työstölaitteissa, tutkissa, sensoreissa ja mobiiliteknologiassa – jopa hopeakoruissa estämässä niiden tummenemista.

– Nykyään ALD-ohutkalvoja tarvitaan erityisesti mikro- ja optoelektroniikan komponenttien valmistuksessa, koska komponenttien mittasuhteet pienenevät pakkaustiheyden kasvaessa. Tietokoneiden muistipiireissä on kyettävä käyttämään erittäin tarkkoja rajapintoja, jotta komponentit toimivat luotettavasti. Vastaavia pienten kohteiden pinnoitekerroksia tarvitaan myös optiikassa, sensoreissa ja aurinkokennoissa, pintatieteen tutkimusryhmän johtaja, professori Mika Valden TTY:n fotoniikan laboratoriosta selittää.

Valden tutkimusryhmineen työskentelee TTY:llä muun muassa juuri ALD-teknologian parissa.

 

Kansainvälinen Millennium-teknologiapalkinto jaettiin Helsingissä 22.5.2018. Millennium-teknologiapalkinto on suomalainen, joka toinen vuosi jaettava miljoonan euron kunnianosoitus uraauurtavalle teknologiselle innovaatiolle, joka parantaa ihmisten elämänlaatua ja edistää kestävää kehitystä. Palkittavien innovaatioiden tulee olla yhteiskunnallisesti vaikuttavia, kaupallisesti elinvoimaisia ja ihmiskunnan hyvinvointia edistäviä. Lisää palkinnosta ja palkitusta TAF:n sivuilla.

 

– ALD-ohutkalvoja on hyödynnetty TTY:llä vuodesta 2014 lähtien, jolloin silloisessa pintatieteen laboratoriossa otettiin käyttöön suomalaisen valmistajan, Picosun Oy:n, suunnittelema ALD-reaktori. ALD-reaktori hankittiin osana suurempaa tutkimuslaitteistokokonaisuutta Suomen Akatemian ja TTY:n yhdessä myöntämällä rahoituksella, Valden kertoo.

ALD:n toiminta perustuu ohutkalvon alkuaineita sisältävien yhdisteiden tuomiseen vuorottain pinnalle, missä ne reagoivat keskenään muodostaen ohutkalvorakenteen.

– Menetelmän erikoisuutena on sen hallittavuus. Menetelmässä ohutkalvon kasvu on pintaohjattu prosessi eli kerrosrakenne kasvaa toisen päälle vasta, kun alla oleva kerros on valmis. Näin saavutetaan erittäin tasaisia kerrosrakenteita, jotka mukautuvat pinnan muotoihin äärimmäisen tarkasti eli konformaalisesti myötäillen pinnan kolmiulotteista rakennetta, Valden selittää.

Aurinkokennomateriaalit uusi avaus

ALD:llä valmistettuja ohutkalvoja kasvatetaan eri tiedekuntien tutkimusryhmille, mutta aktiivisimmat käyttäjät löytyvät luonnontieteiden tiedekunnasta kemian ja biotekniikan laboratoriosta sekä erityisesti fotoniikan laboratoriosta.

– ALD:llä kasvatetut ohutkalvot ovat materiaaliominaisuuksiltaan ainutlaatuisia. Samanlaisia ohutkalvorakenteita ei voida valmistaa millään muilla menetelmillä. Lisäksi reaktorin kasvatusolosuhteita muuttamalla voimme valmistaa samasta ohutkalvosta erilaisia kiderakenteita ja räätälöidä näin niiden ominaisuudet sovelluksiin sopiviksi, Mika Valden sanoo.

– Menetelmän avulla olemme saavuttaneet uudenlaista tarkkuutta nanomateriaalien ominaisuuksien, rakenteen ja valmistuksen välisten riippuvuuksien hallintaan, mistä ovat kiinnostuneet TTY:n tutkimusryhmien lisäksi myös optiikan alan ja materiaalitekniikan alan yritykset.

Aivan uusina avauksina ALD-ohutkalvojen hyödyntämisessä toimivat TTY:llä valmistettavat aurinkokennomateriaalit, joissa sähköenergian tuottamisen sijaan tuotetaankin vetyä ja hiilivety-yhdisteitä vedestä ja hiilidioksidista käyttämällä auringonvaloa sekä kahta valoaktiivista materiaalia.

– Näin auringonvalon energia saadaan varastoitua vedyn tai hiilivety-yhdisteiden kemialliseksi
sidosenergiaksi. Näiden aurinkokennomateriaalin pinnat suojataan ALD-ohutkalvolla niiden toiminnallisuuden optimoimiseksi, Valden toteaa.


Teksti: Sanna Kähkönen
Kuva: Valtteri Pönkkä