Pekka Laukkanen kehittää teollisuuden materiaaleja atomitasolla

Turun yliopiston materiaalitutkijat ratkovat teollisuuden haasteita ja laajentavat ymmärrystämme aineiden ominaisuuksista. Yliopistotutkija Pekka Laukkanen on diplomi-insinööri ja filosofian tohtori, jonka tutkimus keskittyy erityisesti puolijohteisiin. Materiaalitutkimuksen laboratoriossa luodaan uudenlaisia ratkaisuja tulevaisuuden teollisuudelle.

Transistorin keksiminen on ollut yksi ihmiskunnan suurista teknologisista harppauksista. Se on mahdollistanut erilaisten teknisten vempeleiden pienentymisen ja halventumisen. Jokaisella meistä on taskussaan puhelin, jonka prosessori on miljardeista nanometrien kokoisista transistoreista koostuva hieman peukalonpäätä suurempi mikropiiri.

Järjestysluvultaan neljästoista alkuaineemme pii on kaiken nykyaikaisen elektroniikan perusmateriaali. Sen ominaisuudet soveltuvat hyvin puolijohdeteollisuuteen – se on halpaa, kestävää eikä se ole myrkyllistä. Jopa noin 90 prosenttia kaikista elektronisista laitteista pitää sisällään piitä.

Puolijohteet ovat perusta kaikelle nykyaikaiselle elektroniikalle, sillä niiden sähkönjohtavuutta voidaan säätää hallitusti.”

– Piillä on kuitenkin joitain heikkouksia. Sen avulla ei esimerkiksi pystytä tuottamaan valoa tehokkaasti, eli siitä ei saada tehtyä ledejä tai lasereita. Asettamalla piin päälle erilaisia puolijohdekalvoja sen ominaisuuksia saadaan muutettua toivottuun suuntaan, kertoo yliopistotutkija Pekka Laukkanen.

Laukkasen tutkimus on käsitellyt ennen kaikkea puolijohdekiteiden pintoja ja niiden atomitason ominaisuuksia. Vaikka puolijohteet voivat olla monelle meistä tuntematon aihe, jokainen käyttää lukemattomia kertoja päivässä niiden mahdollistamia teknologioita.

– Puolijohteet ovat perusta kaikelle nykyaikaiselle elektroniikalle, sillä niiden sähkönjohtavuutta voidaan säätää hallitusti. Ne ovat myös fotoniikan tärkeimpiä materiaaleja. Transistorien lisäksi ne mahdollistavat esimerkiksi ledien, lasereiden, erilaisten sensorien ja aurinkokennojen valmistuksen, Laukkanen kertoo.

Laukkanen työskentelee professori Kalevi Kokon johtamassa materiaalitutkimuksen laboratoriossa, jossa pintatutkimus yhdistetään puolijohdeteknologiseen tutkimukseen. Perinteisesti toisistaan erillään olevia tutkimusalueita yhdistämällä saadaan luotua entistä parempia puolijohteita. Monien laitteiden heikkoja kohtia ovat juuri puolijohteiden pintakerrokset, joissa tapahtuu sähköisiä häviöitä ja jotka lyhentävät laitteiden käyttöikää.

– Pyrimme parantamaan näiden pintaominaisuuksien ymmärrystä ja löytämään samalla keinoja, joiden avulla pintoja pystytään muokkaamaan hallitusti, jotta energiahäviöt saadaan pienemmiksi. Näin aurinkokennoista saadaan tehokkaampia, transistoreista nopeampia ja esimerkiksi tietokoneen prosessorit lämpenevät vähemmän ja kuluttavat vähemmän energiaa, tutkija sanoo.

Tutkimuksesta liiketoimintaa

Laukkanen työskentelee fysiikan ja tähtitieteen laitoksella materiaalitutkimuksen laboratoriossa. Hän johtaa ensi vuonna päättyvää akatemiahanketta, jossa tutkitaan puolijohdekiteiden hapettumista ja sen vaikutusta pintakerrosten ominaisuuksiin. Kontrolloimaton hapettuminen on ollut yksi puolijohteiden ikuisuusongelmista.

– Hapettuminen on niin voimakas reaktio, että se usein rikkoo pinnan rakenteen. Puolijohteet ovat pääsääntöisesti kiteisiä aineita, kun taas oksidit ovat amorfisia. Jos kiteinen puolijohde muuttuu hapettumisen myötä amorfiseksi, elektroniikassa syntyy helposti vikatiloja, Laukkanen sanoo.

Turussa on siinä mielessä todella hieno tilanne, että voimme tehdä korkealaatuista materiaalitutkimusta niin sanotusti linjan alusta sen loppuun, siis teoriasta aina käytännön laitetesteihin.”

Teollisuudessa tällaiset vikatilat voivat käydä kalliiksi. Materiaalitutkimuksen laboratoriossa tehtiin muutamia vuosia sitten merkittävä löydös, kun tyhjiötekniikkaa hyödyntämällä tutkijat onnistuivat hapettamaan hallitusti puolijohdepintoja.

– Kun puolijohde hapetetaan etukäteen kontrolloiduissa olosuhteissa, laitteiden vikatilojen määrä vähenee ja suoritustaso paranee, Laukkanen toteaa.

Materiaalitutkimuksen laboratoriossa kehitetty uusi oksidipinnoitettu puolijohde sai nimekseen Kontrox. Sen kaupallistamiseksi perustettiin vuonna 2017 Comptek Solutions Oy. Kaksi yrityksen kolmesta pääperustajasta on Turun yliopistosta valmistuneita fysiikan tohtoreita, jotka ovat olleet mukana teknologian kehittämisessä.

– Yliopiston tuki uuden innovaation patentoimisessa ja liiketoiminnan käynnistämisessä oli todella tärkeää, Laukkanen sanoo.

Yritys on sittemmin kerännyt merkittävän siemenrahoituksen ja vie uutta teknologiaa muun muassa Kiinaan. Laukkanen ei itse ole yrityksen palkkalistoilla, mutta toimii sen epävirallisena teknologisena neuvonantajana.

– Comptekissa on töissä neljä entistä jatko-opiskelijaa, joiden väitöskirjaa olen ohjannut. Meillä on hyvä vuoropuhelu ja yhteistyö heidän kanssaan. Usein ongelmana on, että merkittäviäkään tutkimustuloksia ei lähdetä viemään eteenpäin teollisuuteen. Laboratoriomme oli onnekas, kun meiltä löytyi yritystoiminnasta kiinnostuneita nuoria tutkijoita. Minusta heidän innostuksensa, korkea osaaminen ja kova työmoraali luovat hyvän pohjan startupin menestymiselle.

Laaja-alaista materiaalitutkimusta

Materiaalitutkimuksen laboratorion lisäksi monet muut yliopiston yksiköt ja tutkimusryhmät tekevät korkealaatuista turkulaista materiaalitutkimusta. Fysiikan ja tähtitieteen laitoksella Wihurin ja teollisuusfysiikan laboratoriot keskittyvät moniin materiaalifysiikan ongelmiin ja kemian laitoksella on omat epäorgaanisen ja orgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmät.

– Yliopiston materiaalitutkimus on todella laaja-alaista, mikä tarjoaa poikkeuksellisen hyvät yhteistyömahdollisuudet, Laukkanen kehuu.

Yhteistyötä tehdään myös eri yliopistojen ja tutkimuslaitosten kanssa. Materiaalitutkimuksen laboratorio esimerkiksi kehittää yhdessä Aalto-yliopiston kanssa uudenlaisia tehokkaampia aurinkokennoja, joiden odotetaan mullistavan aurinkosähkön tuotantoa.

– Turussa on siinä mielessä todella hieno tilanne, että voimme tehdä korkealaatuista materiaalitutkimusta niin sanotusti linjan alusta sen loppuun, siis teoriasta aina käytännön laitetesteihin. Yliopiston panostuksilla laadukkaisiin tutkimusympäristöihin on ollut tässä suuri merkitys, Laukkanen sanoo.

Laukkanen kertoo tekevänsä tutkimuksensa ohella myös opetustyötä. Hän on itse koulutukseltaan diplomi-insinööri ja filosofian tohtori. Kun Turun yliopisto on nyt laajentamassa tekniikan koulutustaan, Laukkasen opetusta tulevat kuulemaan jatkossa myös uudet diplomi-insinööriopiskelijat.

– Tekniikan koulutukselle on aitoa tilausta, koska monet teollisuuden haasteet liittyvät materiaalien ominaisuuksiin. Materiaalitieteen ja -tekniikan avulla Varsinais-Suomessa tehdään entistä vahvempia laivoja ja kestävämpää teknologiaa, Laukkanen sanoo.