Emmi Kirjasen Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa tehty työ palkittiin parhaana marraskuussa. Kuva: TEK/Anssi Kumpula
MAL jakaa vuosittain 5000 euron palkinnon parhaaksi katsomansa matematiikan, fysiikan tai tietojenkäsittelytieteen pro gradun tekijälle. Vuoden 2018 palkinto ojennettiin marraskuussa Emmi Kirjaselle hänen Jyväskylän yliopistossa tekemästään työstä ”Tunnel junction thermometry on three-dimensional phononic crystals”. Työn ohjaajana toimi professori Ilari Maasilta. Tässä Emmi Kirjasen MAL-lehden lukijoille laatima kuvaus palkitusta tutkimuksestaan.
Tein pro gradu -tutkielmani Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa, kokeellisen fysiikan ryhmässä. Ryhmän erikoisosaamiseen lukeutui matalassa lämpötilassa, eli lähellä absoluuttista nollapistettä, tehtävät mittaukset sekä fononikiteiden käyttäminen lämpöfysiikassa. Olin tehnyt kandidaatin tutkielmani samassa ryhmässä ja maisterinvaiheessa pääsin sukeltamaan yhä syvemmälle kyseiseen aihepiiriin. Tutkimusaiheekseni valikoitui tunneliliitosten käyttäminen lämpömittarina kolmiulotteisilla fononikiteillä. Itse työskentely painottui vahvasti käytännön toimiin, kuten näytteiden valmistamiseen puhdastiloissa. Tässä artikkelissa avaan ensin hieman fononikiteiden ja tunneliliitosten käsitettä ja sitten esittelen tutkimukseni olennaisimmat tavoitteet, haasteet ja tulokset.
Tiiviin aineen fysiikassa pyritään selittämään muun muassa kiinteiden aineiden rakenteen mekaanisia ominaisuuksia, kuten atomihilan värähtelyitä. Fononit ovat värähtelyn kvantteja kuten fotonit ovat valon. Fononikiteet puolestaan ovat periodisia rakenteita, joilla on kyky muokata värähtelyiden kulkua samaan tapaan, kuin fotonikiteet voivat vaikuttaa valoon. Säännöllisen rakenteensa avulla fononikiteet saavat fononeissa aikaan koherenttia siroamista. Kyseisellä siroamisella voi olla monipuolisia vaikutuksia. Se voi esimerkiksi suosia tiettyjä taajuuksia, joiden kulku materiaalissa vahvistuu, tai estää joidenkin taajuuksien etenemisen kokonaan. Jälkimmäistä tapausta kutsutaan energia-aukoksi. Taajuudestaan riippuen värähtelyt kuljettavat joko ääntä tai lämpöä. Lämmön tapauksessa fononikiteitä voidaankin käyttää esimerkiksi hyvän tai huonon lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi tai vaikka lämmön kulkeutumisen ohjaamiseksi.
Fononikiteiden valmistaminen tapahtuu vähintään kahdesta materiaalista, joilla on eri tiheys. Esimerkiksi kaksiulotteisia fononikiteitä on tehty monipuolisesti rei’ittämällä erilaisia ohuita kalvoja vaihtelevin kuvioin. Kaksiulotteisten fononikiteiden lämpöominaisuuksista on jo tehty merkittäviä tutkimuksia. Tutkimukseni tavoite olikin mahdollistaa myös kolmiulotteisten fononikiteiden ominaisuuksien mittaus. Kolmiulotteisuus tuo rakenteelle uusia haasteita, sillä sellaista ei voida valmistaa yhtä suoraviivaisin metodein. Fononikiteen toimivuuden kannalta rakenteen säännöllisyys sekä etenkin sen pintojen sileys asettaa suuret vaatimukset näytteelle. Tutkimuksessani ratkaisuna oli itseohjautuvuuden hyödyntäminen. Itseohjautuvuuden avulla voidaan valmistaa verrattain helposti laajoja, toistuvia rakenteita. Itse käytin veteen suspensoituja polystyreenikolloideja, eli nanokokoisia polymeeripalloja, jotka järjestyivät kidemäiseen muodostelmaan veden virtauksien ja pintajännitteen avulla. Kolloidikiteitä on hyödynnetty laajasti aiemmin mainitsemieni fotonikiteiden valmistuksessa, mistä idea niiden käyttämiseen myös fononikiteinä sai alkunsa. Kiteen pintarakenne on esillä kuvassa 1.
Kuva 1. Elektronimikroskooppikuva polymeeripalloista koostuvan kiteen pinnasta kertoo sen geometriasta ja säännöllisyydestä.
Kolmiuloitteisuuden haasteet
Tunneliliitoksia on käytetty laajasti kalvojen, kuten myös kaksiulotteisten fononikiteiden, tutkimuksessa. Ne soveltuvat hyvin matalissa lämpötiloissa käytettäväksi ja ne ovat hyvin herkkiä lämpötilan muutoksille. Valmistamissani tunneliliitoksissa käytin kahta eristekerroksella erotettua metallia, alumiinia ja kuparia, joista alumiini muuttui suprajohtavaksi mittauslämpötiloissa. Aineen muuttuessa suprajohtavaksi sen elektronirakenne muuttuu ja sähkövirta voi kulkea siinä vailla vastusta. Elektronien siirtyessä materiaalien välillä ne joutuvat tunneloitumaan eristekerroksen läpi. Vain kaikkein korkeaenergisimmät elektronit pääsevät kulkemaan, mistä seuraa liitoksen käytöksen vahva lämpötilariippuvuus. Mitä korkeampi metallin lämpötila on, sitä enemmän virtaa pääsee läpi.
Tunneliliitokset ovat tyypillisesti erittäin herkkiä ja siroja nanolitografialla kuvioimalla ja metallia höyrystämällä valmistettuja rakenteita. Tavoitteenani oli kuitenkin käyttää niitä suoraan kolmiulotteisen fononikiteen päällä mahdollisimman hyvän termisen kontaktin ja sitä myötä myös häiriöttömän mittauksen saavuttamiseksi. Kolmiulotteinen kide toi kuitenkin omat haasteensa, sillä sen pinnan muodot saattoivat estää yhtenäisen johtimen muodostumisen. Jos metallointi oli katkonainen yhdestäkään kohtaa, se ei johtanut virtaa.
Tutkimukseni tavoitteena oli siis mahdollistaa kolmiulotteisen fononikiteen termisten ominaisuuksien mittaaminen. Matalissa lämpötiloissa lämmön kontrolloinnin merkitys korostuu, mihin fononikiteet tarjoavat suuren potentiaalin. Kaksiulotteisilla fononikiteillä on jo tehty merkittäviä edistysaskelia niiden lämpökäyttäytymisen tutkimiseksi, mutta myös kolmiulotteisilla fononikiteillä on laskennallisesti osoitettu olevan samanlaisia vaikutuksia.
Termisiä ominaisuuksia voidaan mitata esimerkiksi käyttämällä kahta identtistä liitosta, joista toinen lämmittää näytettä ja toinen mittaa näytteen lämpötilaa. Mittausten kontrolloimiseksi tein ensin näytteen pohjana toimivan piilevyn päälle valoresististä kehikkorakenteen, johon kiteen voisi upottaa. Resisti oli kidemateriaalin tapaan polymeeri, johon pystyi valmistamaan neliön muotoisia kuoppia optisella litografialla. Tällä tavoin kiteet olisivat aina yhtä suuria, minkä lisäksi metallointien jatkaminen kiteen ulkopuolelle olisi helpompaa tasaisen pinnan päällä. Näytteenvalmistusprosessia hioessani saatoin todeta kiteytyksen suosivan sille valmistettuja koloja, mikä mahdollisti näytteiden helpomman toistettavuuden. Tunneliliitosten herkkyyden puolestaan ratkaisin valmistamalla niistä paksumpia ja leveämpiä, varmistaen jatkuvuuden epätasaisen pinnan yli. Aiemmissa tutkimuksissa ratkaisuna on tyypillisesti ollut tasoittavan kerroksen käyttäminen rosoisen pinnan ja liitosten välissä, mutta tutkimuksessani sellaisen käyttämiseltä vältyttiin. Näyte kokonaisuudessaan on esitelty kuvassa 2.
Kuva 2. a) Kokonaiskuvassa on kidenäyte, jonka pinnalla on kaksi vastakkaista tunneliliitosta. Kiteen reunoilla näkyy sitä rajaava valoresisti. Suurennoksissa esillä tarkemmin b) kiteen ja resistin rajapinta, jonka metallinen johdin ylittää, sekä c) liitoksen metallointi kiteen pinnalla.
Matalissa lämpötiloissa tehdyt mittaukset osoittivat kolmiulotteisten fononikiteiden päälle valmistamani metalloinnit tunneliliitoksiksi niiden tunnusomaisen käyttäytymisen kautta. Tunneliliitokset soveltuivat selvästi hyvin lämpötilan mittaamiseen, kuten oli toivottukin, ja niillä saattoi erottaa jopa alimpien mittauspisteiden, eli 60 mK ja 50 mK välisen lämpötilaeron. Myös itse näytteet osoittautuivat mittauksiin soveltuviksi kestämällä rankan jäähdytysprosessin. Näytteeni sisälsi sekä metalleja että orgaanista materiaalia, jotka kutistuvat ja laajenevat eri verran lämpötilan muutosten mukaan. Valitettavasti itse lämmönjohtumiseen liittyviä mittauksia ei ehditty tehdä, mutta kehittämäni valmistusprosessi mahdollistaa sen tulevaisuudessa, jolloin voidaan saada uutta arvokasta tietoa kolmiulotteisten fononikiteiden ominaisuuksista. Vastaavaa menetelmää voitaisiin hyödyntää myös erilaisille kiteille käyttämällä esimerkiksi eri kokoisia polymeeripalloja. Sen lisäksi käyttämiäni tavallista karkeampia tunneliliitoksia voitaisiin soveltaa myös muille epätasaisille pinnoille lämpömittareiksi.•