AURORA – Kohti syvempää ymmärrystä amorfisten oksidiohutkalvojen huoneenlämpötilaplastisuudesta ja optisesta vasteesta

Amorfiset oksidiohutkalvot ovat tärkeitä komponentteja elektroniikassa, fotoniikassa, optoelektroniikassa ja anturiteknologioissa, mutta niiden hauraus voi heikentää niiden luotettavuutta mekaanisessa kuormituksessa. Viimeaikaiset havainnot amorfisten oksidien plastisuudesta huoneenlämpötilassa haastavat tämän rajoitteen ja osoittavat, että suuri lujuus voidaan yhdistää kykyyn mukautua kuormitukseen pysyvän muodonmuutoksen avulla. AURORA tutkii tämän poikkeuksellisen käyttäytymisen atomitason alkuperää jaksollisen järjestelmän ryhmän 13 alkuaineiden amorfisissa oksidiohutkalvoissa sekä sen yhteyttä kalvojen optisiin ominaisuuksiin.

Keskeisenä haasteena on ymmärtää, mitkä rakenteelliset piirteet mahdollistavat plastisen muodonmuutoksen ja voidaanko näitä piirteitä hallita siten, että hyödylliset optiset ominaisuudet säilyvät tai paranevat. Toisin kuin kiteisillä materiaaleilla, amorfisilla oksideilla ei ole säännöllisesti toistuvaa atomirakennetta, mikä tekee näiden yhteyksien selvittämisestä erityisen haastavaa. Tämän tietoaukon täyttäminen on välttämätöntä, jotta lupaavien käyttäytymispiirteiden havainnoinnista voidaan edetä kohti sellaisten materiaalien tavoitteellista suunnittelua, joissa yhdistyvät halutut ominaisuudet.

AURORA yhdistää ohutkalvojen valmistuksen ja monimenetelmäisen karakterisoinnin – mukaan lukien edistyneen rakenneanalyysin, mekaaniset kokeet ja optiset mittaukset – atomistisiin tietokonesimulaatioihin selvittääkseen amorfisten oksidiohutkalvojen ainutlaatuisten ominaisuuksien alkuperän. Euroopan johtavissa synkrotronitutkimuslaitoksissa tehtävät kokeet paljastavat, miten atomit järjestäytyvät ja kytkeytyvät toisiinsa näissä materiaaleissa. Yhdistämällä näin saatavan rakennetiedon mitattuihin ominaisuuksiin ja hyödyntämällä sitä atomististen mallien validoinnissa hanke luo kokeellisesti tuettuja rakenteen ja ominaisuuksien välisiä yhteyksiä sekä tunnistaa atomitason piirteet, jotka mahdollistavat plastisen muodonmuutoksen ja hyödyllisten optisten ominaisuuksien yhdistämisen.

Hankkeen odotettuja tuloksia ovat validoidut rakennemallit sekä suunnitteluperiaatteet mekaanista kuormitusta kestävien, optisesti toiminnallisten oksidiohutkalvojen kehittämiseen. Tulokset auttavat tunnistamaan jatkokehityksen kannalta lupaavat koostumukset ja valmistusolosuhteet sekä luovat perustan etenemiselle perustutkimuksen löydöksistä kohti materiaalien optimointia ja sovelluslähtöistä testausta. Mahdollisia sovelluskohteita ovat fotoniikan ja optoelektroniikan komponentit, optiset anturit sekä läpinäkyvät suojapinnoitteet, joissa optisen suorituskyvyn yhdistäminen kykyyn mukautua mekaaniseen kuormitukseen voisi parantaa luotettavuutta ja pidentää käyttöikää.

Tampereen yliopiston, kansainvälisten tutkimusorganisaatioiden sekä suomalaisten ja ulkomaisten yrityskumppaneiden välisen yhteistyön kautta AURORA yhdistää materiaalien perustutkimuksen tietoon, jota tarvitaan monitoiminnallisten oksidiohutkalvojen kehittämisen edistämiseksi.