Mitä tutkit?
Tutkin mitä tapahtuu, kun kaasumaisessa tilassa olevat yksittäiset atomit järjestyvät kiinteiksi rakenteiksi kohdatessaan kiinteän pinnan. Tämä prosessi on yksi tärkeimpiä tapoja luoda uusia materiaaleja, jotka ovat kooltaan vain muutamia nanometrejä tai vähemmän.
Nanometrien mittakaavassa materiaalien fysikaaliset ominaisuudet ja käyttäytyminen eroavat makroskooppisten mittojen materiaaleista, ja ne ovatkin viime aikoina mullistaneet teknologioita monella alalla kuten mikroelektroniikassa, energian muuntamisessa ja varastoinnissa sekä viestinnässä.
Lyhyesti sanottuna ryhmäni on erikoistunut ohuiden kalvojen fysikaaliseen höyrypinnoitukseen. Käytämme kokeellisia työkaluja, joiden avulla voimme rakentaa ohuita kalvomateriaaleja. Rakennamme materiaaleja useammasta kuin yhdestä kemiallisesta alkuaineesta, ennennäkemättömän tarkasti - atomi atomilta. Pääsemme tutkimaan, miten nämä kalvot muodostuvat reaaliajassa, ja voimme yhdistää niiden rakenteen ja koostumuksen tärkeisiin toiminnallisiin ominaisuuksiin, kuten sähkönjohtavuuteen, mekaaniseen lujuuteen, optiseen läpinäkyvyyteen ja säteilynkestävyyteen.
Kehitämme myös laskennallisia välineitä mallintamaan prosesseja, joilla ohuet kalvot muodostuvat. Näin voimme tehdä testejä aika- ja pituusskaaloissa, joita ei voida kokeissa saavuttaa. Laskennalliset työkalumme perustuvat edistyksellisimpiin koneoppimismenetelmiin.
Mihin ja miten tutkimuksesi aihe vaikuttaa?
Ohutkalvoja käytetään kaikkialla. Mikroelektroniikan vallankumouksessa ne ovat olleet olennaisen tärkeitä, sillä ne ovat mahdollistaneet uusien puolijohdemateriaalien tuotannon. Esimerkiksi ilmailualalla ne ovat mahdollistaneet tarkkuuskomponenttien massatuotannon, sillä ne ovat parantaneet metallin leikkaus- ja muotoilutyökalujen käyttöikää ja suorituskykyä.
Ohutkalvot ovat myös auttaneet lisäämään polttomoottoreiden tehokkuutta ja vähentämään polttoaineen kulutusta vähentämällä liikkuvien osien välistä kitkaa. Viime vuosina ohutkalvojen merkitys on kasvanut esimerkiksi aurinkosähkötekniikassa, akuissa ja katalyysissä, mikä tekee niistä ratkaisevan tärkeän osan meneillään olevassa energiamurroksessa.
Kun teknologia kehittyy ja suorituskykyvaatimukset tiukentuvat, tarve sellaisille räätälöidyille ohutkalvomateriaaleille kasvaa, joiden rakenteita hallitaan huolellisesti useilla pituusskaaloilla. Tutkimukseni vastaa tähän tarpeeseen edistämällä perustavanlaatuista ymmärrystämme mekanismeista, jotka ohjaavat yksittäisten atomien järjestymistä ohutkalvosynteesin aikana.
Ymmärrys atomien järjestymisestä voi auttaa meitä hyödyntämään nykyaikaisten kaksiulotteisten materiaalien kuten grafeenin ainutlaatuisia ominaisuuksia uusissa laitteissa, luomaan metalliseoksia vedyn varastointia varten ja tukemaan aurinkosähkötekniikan laajentamista terawattimittakaavaan.
Mikä alassasi inspiroi sinua juuri nyt?
Ohutkalvofysiikka ja -teknologia on vakiintunut ala, mutta tähän asti suuri osa ymmärryksestämme on perustunut ilmiöiden havainnointiin eikä niinkään taustalla olevien mekanismien todelliseen ymmärtämiseen. Mitkä ovat ne mekanismit, jotka ohjaavat ohutkalvojen rakennetta ja ominaisuuksia?
Nyt vasta ensimmäistä kertaa on alalla mahdollista havainnoida atomien liikkeitä reaaliaikaisesti ja kehittää tarkkoja malleja, jotka kuvaavat ohutkalvojen muodostumisen taustalla olevia fysikaalisia prosesseja. Viimeaikaiset edistysaskeleet tieteellisissä instrumenteissa, uudet materiaalisynteesikonseptit - ala, johon ryhmäni osallistuu aktiivisesti - ja laskentatyökalut ovat tehneet tämän mahdolliseksi.
Tämä on jännittävä aikakausi alalle: emme ainoastaan voi suunnitella materiaaleja atomi kerrallaan, vaan voimme myös itse asiassa luoda niitä tällä tavoin. Ryhmäni pyrkii olemaan tämän vallankumouksen eturintamassa.
Kostas Sarakinos on kokeellisen materiaalifysiikan professori matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa.
Uusien professorien juhlaluennot järjestetään kahdesti lukuvuodessa