Kisel har lovande utmanare inom elektroniken, men deras strålningsbeständighet är en gåta – forskningsprojekt utvecklar ett effektivt sätt att förutspå strålningsskador

Halvledarmaterialen har haft en avgörande roll i utvecklingen av modern teknik, från datorer till solceller. Även utrustning som används i en miljö med kraftig partikelstrålning, såsom satelliter, kärnreaktorer och partikelacceleratorer, är beroende av teknologi som innehåller halvledare. Strålningen orsakar dock skador på materialet som förkortar utrustningens livscykel och stör dess funktion.

Det nya forskningsprojektet som inleds vid Aalto-universitetet har fått miljonfinansiering av Europeiska forskningsrådet (ERC) för att bättre förutspå strålningsskador på halvledare. Det nya sättet att förutspå strålningsskador kan öka utrustningens livslängd och främja ibruktagandet av nya material i olika elektroniska komponenter.

För närvarande förutspås strålningsskador i huvudsak med hjälp av empiriska undersökningsresultat. Forskarna vid Aalto-universitetet strävar efter att förutspå och förklara skadorna genom att utgå från fysikteori, dvs. de matematiska modeller som förklarar fenomenet.

”Utifrån modeller som grundar sej i kvantmekaniken gör vi datorsimuleringar, med hjälp av vilka man både kan förklara och förutspå uppkomsten av skador och deras struktur”, berättar biträdande professor Andrea Sand som fått finansiering.

Forskarna jämför resultaten från simuleringarna med experimentella mätningar och observationer, till exempel elektronmikroskopbilder. På så sätt kan de både bekräfta riktigheten i de prognoser som grundar sig på simulering och skapa en bättre förståelse för skadornas uppkomst och karaktär.

”Eftersom simuleringen grundar sig på fysikens modeller ger den oss samtidigt en förklaring till det aktuella fenomenet. Detta fås inte nödvändigtvis enbart genom empiriska undersökningar”.

Frigörelse från de befintliga materialens begränsningar 

Kisel är för närvarande det mest använda materialet i halvledarkomponenter. Det har spelat en nyckelroll i den enorma ökningen av datorernas beräkningskapacitet under de senaste årtionden, men materialets begränsningar har småningom uppnåtts.

”Man har nästan gått så långt man kan med kisel. Nu söker vi nya material som klarar av att vara ännu bättre”, berättar Sand.

Att ersätta kisel i utrustning som används i miljöer med kraftig partikelstrålning fördröjs delvis av att funktionen hos nya material i strålningsförhållanden i hög grad är en gåta. Detta kan Sands forskning hjälpa till med: Om forskarna lär sig att förutspå strålningsskador utifrån matematiska modeller i stället för genom empiriska test kan man mycket snabbare och lättare få information om de nya materialens beteende.

”Det är dyrt och tidskrävande att experimentellt utreda strålningsbeständigheten hos nya material. Om – och när – vi på ett tillförlitligt sätt lyckas modellera strålningsskador på de halvledare som nu används utifrån fysikens grunder, kan vi ta nästa steg och göra upp sådana prognoser även för nya material. Beräkningsmässiga prognoser minskar avsevärt den experimentella belastningen”. 

Sands finansiering är ERC Starting Grant på 1,5 miljoner euro. Projektet är femårigt och startar nästa år.