Yksikin virhe atomirakenteessa muuttaa materiaalin ominaisuuksia

17.8.2020
Atomien paikat kertovat ominaisuuksista, kuten sähkönjohtavuudesta. Virheitä tutkimalla syntyy uusia teknologioita muun muassa sähkön käyttöön ja siirtoon.

Mitä tutkit?

Tutkin materiaalien, kuten galliumnitridin, atomitason pistemäisiä virheitä.

Kaikkien materiaalien kaikki ominaisuudet määräytyvät sen mukaan, mistä atomeista materiaalit muodostuvat ja missä järjestyksessä ja millä paikoilla nämä atomit ovat. Pienessäkin käsin kosketeltavassa materiaalipalasessa on hirmuinen määrä atomeja: suuruusluokkaa 1000000000000000000000 atomia. Se on kymmenen potenssiin 21 eli ykkönen ja 21 nollaa.

Koska atomeja on paljon, jokaisen atomin nimeä ja paikkaa ei voi yksitellen määrittää. Tarvitaan monenlaisia menetelmiä, joilla voi selvittää riittävällä tarkkuudella atomirakenteen yleisiä piirteitä.

Itse teen määrittelyjä ampumalla materiaalipalasia antimaterialla – positroneilla – ja tutkimalla positronien ja elektronien annihilaatiosäteilyä, joka kertoo yksityiskohtia ”puuttuvista atomeista”, eli rakenteista, joissa pitäisi olla atomi, mutta sitä ei olekaan. Puutoskohtia kutsutaan vakanssivirheiksi.

Mihin ja miten tutkimuksesi aihe vaikuttaa?

Yllä mainitut vakanssivirheet määräävät esimerkiksi puolijohteiden tärkeimmät ominaisuudet. Riittää, että yksi biljoonasta atomista on väärällä paikalla tai puuttuu, niin sähkönjohtavuus tai optiset ominaisuudet muuttuvat. Nämä ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä muun muassa nitridipuolijohteissa, joihin perustuvat esimerkiksi LED-yleisvalaistus sekä Blu-ray-teknologia.

Pistevirheiden ominaisuuksien tunteminen auttaa komponenttien kehittämisessä. Kun tunnemme vaikutukset, voimme kehittää esimerkiksi uusia vähän energiaa kuluttavia teknologioita.

Mikä alallasi inspiroi sinua erityisesti juuri nyt?

Minua inspiroi uudenlaisten antimateriageneraattorien sekä antimaterian varastointimenetelmien kehittäminen. Näitä teknologioita voisi muutaman vuosikymmenen päästä hyödyntää esimerkiksi avaruusrakettien moottoreissa.

Filip Tuomisto on kokeellisen materiaalifysiikan professori matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa.

Katso Filip Tuomiston uuden professorin juhlaluento 8.9.2020 YouTubessa.

Tutustu muihin uusiin professoreihin.

Filip Tuomisto

Filip Tuomisto

Kokeellisen materiaalifysiikan professori