Suomalaistutkijat kehittivät uuden menetelmän tarkkaan molekyylikalvojen kasvatukseen

Atomikerroskasvatus (Atomic layer deposition, ALD) on erityisesti puolijohdeteollisuudessa käytetty menetelmä, jolla valmistetaan atomikerroksen tarkkuudella hyvälaatuisia ohutkalvoja. Menetelmän kehitti 1970‑luvulla suomalainen Tuomo Suntola, ja siitä on sittemmin tullut tärkeä teknologia.

ALD:ssä ohuita kalvoja kasvatetaan atomikerros kerrallaan lähtöaineiden välillä tapahtuvien hallittujen kemiallisten reaktioiden avulla sekä niiden vuorovaikutusten pinnan kanssa. Tämä ns. bottom‑up‑menetelmä mahdollistaa kalvon tarkan paksuussäädön.

- Menetelmän sovellettavuutta parantaisi, jos kalvoja voitaisiin kasvattaa vain valituille alueille. Tällöin voitaisiin hallita myös kalvojen muotoa eikä vain paksuutta. Alueselektiivinen ALD onkin tällä hetkellä alan keskeinen tutkimuskohde, selventää professori Mika Pettersson Jyväskylän yliopistosta. 

Perinteisessä atomikerroskasvatuksessa tuotettavat materiaalit ovat yleensä epäorgaanisia materiaaleja, kuten esim. sinkkioksidi (ZnO) tai alumiinioksidi (Al₂O₃), jotka ovat puolijohde- ja eristemateriaaleja. 

- On kuitenkin mahdollista käyttää myös molekulaarisia materiaaleja, jolloin puhutaan molekyylikerroskasvatuksesta. Tällöin epäorgaanisiin lähtöaineisiin yhdistetään orgaanisia lähtöaineita ja materiaalien ominaisuuksien räätälöimiseen tulee valtavasti lisää mahdollisuuksia, kertoo Pettersson. 

Ohutkalvot voidaan nyt kasvattaa tarkasti halutuille alueille

Nyt Jyväskylän yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jonka avulla voidaan kasvattaa metalli-orgaanisia materiaaleja alueselektiivisesti. Menetelmä mahdollistaa erimuotoisten kalvojen tarkan rakentamisen molekyylin paksuinen kerros kerrallaan.

- Tämä luo valtavasti mahdollisuuksia muokata materiaalien ominaisuuksia niiden käyttötarpeen mukaan, sanoo Pettersson

Menetelmä mahdollistettiin yhdistämällä Jyväskylässä kehitetty grafeenin lasermuokkausmenetelmä Aalto-yliopiston tutkijoiden osaamiseen molekyylikerroskasvatuksessa. 

- Grafeeni on yhden atomin paksuinen hiilikalvo, joka on maailman ohuin materiaali. Tutkimuksessa valmistettiin grafeenia piisirun pinnalle, jonka jälkeen siihen piirrettiin laserilla hydroksyyliryhmillä (-OH) funktionalisoituja alueita. Tämän jälkeen näytteiden pintaan kasvatettiin molekulaarinen europium-orgaaninen ohutkalvo, joka muodostui selektiivisesti vain lasermuokatuille alueille, koska puhtaan grafeenin pinta ei reagoi lähtöaineiden kanssa, täsmentää Pettersson. 

Uusi menetelmä avaa rajattomat sovellusmahdollisuudet

Nyt kehitetty menetelmä luo uusia mahdollisuuksia valmistaa kehittyneitä laitteita. Yhtenä esimerkkinä potentiaalisista käyttökohteista on tässä tutkimuksessa hyödynnetty materiaali, joka emittoi valoa sisältämänsä europium-alkuaineen ansiosta.

- Käytimme pioneeritutkimuksessamme valoa emittoivaa europium-orgaanista materiaalia malliesimerkkinä. Atomi- ja molekyylikerroskasvatus soveltuu kuitenkin laajalle kirjolle erilaisia ohutkalvomateriaaleja. Tämä avaa lähes rajattomat mahdollisuudet uuden alueselektiivisen menetelmämme tulevaisuuden sovelluksille, korostaa professori Maarit Karppinen Aalto-yliopistosta. 

Tutkimus etenee kohti käytännön sovelluksia – yritykset tervetulleita mukaan

Tutkijat ovat todella innoissaan uusista tuloksista.  Alun perin tutkiessaan grafeenin lasermuokkausmenetelmää, eivät he osanneet odottaa, että sen avulla voitaisiin kehittää aivan uusia menetelmiä atomi- ja molekyylikerroskasvatukseen. 

- Yhteistyö lähti liikkeelle, kun olimme professori Maarit Karppisen kanssa samassa tilaisuudessa puhumassa ja huomasimme, että yhdistämällä osaamisemme, voisimme luoda jotain uutta. Nyt olemme todenneet käytännössä sen aikaisten ideoiden toimivuuden. Seuraavaksi lähdemme kehittämään sovelluksia ja toivomme, että yritykset kiinnostuisivat työstämme, iloitsee Pettersson. 

Petterssonin ja Karppisen lisäksi julkaisun kirjoittajina olivat yliopistotutkija Andreas Johansson, tutkijatohtori Aleksei Emelianov, tohtorit Kamila Mentel, Amr Ghazy, Yu-Han Wang, sekä väitöskirjatutkija Joona Pekkanen. Tutkimus julkaistiin arvostetussa ACS Nano -lehdessä. Tutkimusta tukivat Jane ja Aatos Erkon säätiö ja Euroopan tutkimusneuvoston ERC Advanced Grant-hanke UniEnMLD.

Lisätietoa aiheesta löydät myös Yle Areenan Tiedeykkösestä, jossa professori Mika Pettersson kertoo grafeenista ja sen sovelluksista kuten grafeeniin perustuvasta nanokokoista rajapintalaitteesta: https://areena.yle.fi/1-77137698.

Artikkelin tiedot:

• Aleksei V. Emelianov, Kamila K. Mentel, Amr Ghazy, Joona Pekkanen, Yu-Han Wang, Andreas Johansson, Maarit Karppinen, Mika Pettersson: Area-Selective Atomic/Molecular Layer Deposition of Europium-Organic Thin Films on Graphene and Other 2D Materials for Photoluminescent Heterostructures. ACS Nano, ASAP article
• Linkki artikkeliin: https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acsnano.5c22728&ref=pdf
• DOI numero: 10.1021/acsnano.5c22728