SuomeksiEnglanniksi
Annales Universitatis Turkuensis

Porous Silicon Optical Filters in Gas Sensing Applications

Jalkanen Tero

FM Tero Jalkasen väitöstutkimus osoittaa, että piin pinnan stabilisointi mahdollistaa toimivien optisten kaasuantureiden kehittämisen. Antureilla voitaisiin korvata kalliimpia lääketieteen diagnostiikkalaitteita.

Yleisyytensä ja sopivien ominaisuuksiensa vuoksi pii on valikoitunut materiaaliksi johon nykyelektroniikka perustuu. Tulevaisuuden tiedonsiirtosovellusten kannalta oleellisten optisten komponenttien valmistaminen piistä ei ole kuitenkaan ollut yhtä suoraviivaista, mikä johtuu materiaalin epäedullisista optisista ominaisuuksista.

Väitöstutkimuksessa tutkittiin piin optisten ominaisuuksien muokkaamista syövyttämällä siihen nanometrikokoluokan huokosia.

Materiaalin nanokokoluokan rakenteesta johtuva rakenteellinen väri on ilmiö joka selittää muun muassa perhosten siivissä ja eräiden koppakuoriaisten kuorissa havaittavat kirkkaat värit.

Rakenteellinen väri johtuu valon aallonpituutta pienemmistä kerroksittaisista rakenteista materiaalin pinnalla. Vastaavia rakenteita voidaan myös valmistaa piikiekolle syövyttämällä siihen sähkökemiallisesti nanometrikokoluokan huokosia.

Syövytysparametrejä säätelemällä on mahdollista muodostaa hallitusti valoa heijastavia monikerrosrakenteita, joiden huokoisuus ja kerrospaksuus määräävät heijastuvan valon värin.

Nanorakenteiset piiheijastimet toimivat antureina

Nanometrikokoluokan huokoset aiheuttavat kaasujen kondensoitumisen huokosten sisään. Tiivistymisen seurauksena huokosiin syntyy nestepatsaita, jotka muuttavat monikerrosrakenteen taitekerrointa. Tämä puolestaan havaitaan heijastuvan valon värin muutoksena, joka on kytköksissä huokoisen rakenteen sisään adsorboituneen kaasun konsentraatioon.

Näin ollen heijastimia voidaan käyttää optisina kaasuantureina. Optisten kaasuantureidenkäyttömahdollisuudet vaihtelevat arkipäiväisestä ilmankosteuden tarkkailusta aina taistelukaasujen detektointiin.

Piin pinnan stabilisointi mahdollistaa kestävien antureiden kehittämisen

Kompastuskivenä huokoisten piiheijastimien käyttöönotossa on ollut niiden kemiallisesti epävakaa pinta. Syövytyksen jäljiltä piin pinta on siihen epästabiilisti sitoutuneiden vetyatomien peittämä, ja alkaa täten hiljalleen hapettua.

Hapettumisen seurauksena heijastimien optiset ja rakenteelliset ominaisuudet muuttuvat merkittävästi, ja tämä on estänyt heijastimien laajamittaisemman hyödyntämisen pitkäaikaisissa sovelluksissa.

Jalkasen väitöskirjassa tutkittiin muutoksia heijastimien stabiiliudessa sekä optisissa ominaisuuksissa, kun epävakaa vetypinta korvattiin termisen karbidointiprosessin seurauksena syntyvällä karbidi- tai hydrokarbidipinnalla.

Kyseisellä menetelmällä stabilisoitujen heijastimien elinaikaa onnistuttiin pidentämään kaasuanturisovelluksissa muutamista päivistä useisiin vuosiin. Tutkimuksessa kehitettiin myös stabiili pinta, joka alustavien tutkimusten mukaan mahdollistaa biomolekyylien valikoivan havainnoinnin.

Kyseistä keksintöä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi kehitysmaissa, jossa kalliita lääketieteen diagnostiikkalaitteita voisi olla mahdollista korvata edullisilla piihin perustuvilla bioantureilla.

Väitöskirja on englanninkielinen.

Tuotenumero:9789512951857
Ulkoasu:nid.
Tekijä:Jalkanen Tero
Laajuus:85 s. + liitteet
ISBN:9789512951857
Julkaisuvuosi:2012
Sarja:AI osa 448
15,00 €
(sis. ALV 10%)


13,64 €
(ALV 0%)
Määrä: kpl