18.6.2021 Uusi nanovalmistusmenetelmä kolmiulotteisten fononikiteiden lämmönjohtavuuden tutkimiseen (Heiskanen)

Fononikiteet ovat jaksollisia rakenteita, jotka muuttavat värähtelyenergian eli lämmön ja äänen liikettä materiaalin läpi. Mielenkiinto tällaisiin rakenteisiin on kasvanut viime aikoina, koska lämmön siirtymisen kontrolloinnista on tullut välttämätöntä monissa sovelluksissa esimerkiksi erittäin tarkoissa säteilynilmaisimissa. Väitöskirjassaan Samuli Heiskanen kehitti uuden valmistusmenetelmän, jolla voidaan valmistaa mittauselementtejä kolmiulotteisten (3D) rakenteiden päälle. Menetelmällä valmistetuilla näytteillä hän osoitti, että 3D-fononikiteitä voidaan käyttää lämmön siirtymisen kontrollointiin.
Julkaistu
18.6.2021

Fononikiteiden lämmönjohtavuuden tutkiminen on tähän mennessä kohdistunut pääosin kaksiulotteisiin kalvorakenteisiin. Samuli Heiskasen väitöskirja onkin ensimmäisiä 3D-fononikiteisiin keskittyviä lämmönjohtavuustutkimuksia. Tässä tutkimuksessa fononikiteet valmistettiin 3D-litografian avulla, jossa laservaloa käyttämällä tulostetaan 3D-nanorakenteita.

Tunneliliitosten valmistus 3D-rakenteiden päälle

Väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin 3D-litografian pohjalta menetelmä, jolla voidaan valmistaa suprajohtavia tunneliliitoksia 3D-nanorakenteiden päälle. Näillä liitoksilla pystytään mittaamaan lämpötilaa lähellä absoluuttista nollapistettä. Tämä on olennaisen tärkeää, sillä tutkimuksessa valmistettujen kiteiden lämmönjohtavuutta on tutkittava erittäin matalissa lämpötiloissa (alle 100 mK).

”Kehitetyllä menetelmällä onnistuttiin valmistamaan laadukkaita tunneliliitoksia, mikä osoittaa, että menetelmää voidaan käyttää monimutkaistenkin laitteiden valmistukseen”, kertoo Samuli Heiskanen.

Lämmönjohtavuuden muutos riippuu kiderakenteesta

Fononikiteen vaikutus aineen lämmönjohtavuuteen riippuu kiteen rakenteesta. Rakennetta muuttamalla voidaan yleensä pienentää materiaalin lämmönjohtavuutta, mutta tietynlaisilla rakenteilla on myös mahdollista kasvattaa materiaalin lämmönjohtavuutta. Simulaatiot ennustivat, että myös tämän tutkimuksen kiteet pienentäisivät lämmönjohtavuutta, mutta yllättäen mittaukset osoittivat, että kiteet sittenkin kasvattivat lämmönjohtavuutta runsaasti.

”Saatu tulos on erittäin yllättävä, koska tähän mennessä tutkitut kaksiulotteiset kiteet ovat noudattaneet simulaatioita ja pienentäneet materiaalin lämmönjohtavuutta”, Heiskanen korostaa.

Tutkimus on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten JYU Dissertations-sarjassa, numero 395, Jyväskylä, 2021. 
ISBN 978-951-39-8696-4 (PDF), URN:ISBN:978-951-39-8696-4 ja ISSN 2489-9003
Linkki julkaisuun:

FM Samuli Heiskasen väitöskirjan "Application of Direct Laser Writing for the Fabrication of Superconducting Tunnel Junctions and Phononic Crystal Structures" tarkastustilaisuus on Jyväskylän yliopistossa perjantaina 18.6.2021 alkaen klo 12. Vastaväittäjänä on tohtori Olivier Bourgeois (Neel Institut, CNRS, Ranska) ja kustoksena on professori Ilari Maasilta Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Yleisö voi seurata väitöstilaisuutta verkkovälitteisesti.

Linkki Zoom-webinaariin (suositellaan Zoom-sovellusta tai Google Chrome selainta):

Puhelinnumero, johon yleisö voi tilaisuuden lopussa osoittaa mahdolliset lisäkysymyksensä (kustokselle): +358 40 805 4098