Kaksiulotteiset ohjelmoitavat materiaalit optiikan ja elektroniikan sovellutuksiin (TODIMA-konsortio)

Grafeeni muodostuu vain yhdestä kerroksesta hiiliatomeja, jotka ovat järjestäytyneet hunajakennoa muistuttavaksi tasorakenteeksi. Grafeeni on ensimmäinen materiaali, joka on aidosti kaksiulotteinen (2D). Erikoisen atomirakenteen ansiosta grafeenilla on ainutlaatuisia mekaanisia, sähköisiä ja optisia ominaisuuksia.

Grafeenin keksiminen onkin avannut aivan uusia ulottuvuuksia kaksiuloitteisten rakenteiden ja materiaalien tutkimuksessa. Keksinnön merkittävyyttä osoittaa vuonna 2010 grafeenitutkijoille A. Geim ja K. Novoselov osoitettu fysiikan Nobelin palkinto.

Grafeenin innoittamana on viime aikoina valmistettu 2D-rakenteita myös muista materiaaleista kuten heksagonaalisesta boorinitridistä (BN). Ohjelmoitavaa toiminnallisuutta ajatellen nämä materiaalit ovat erittäin lupaavia seuraavan sukupolven elektroniikan ja fotoniikan sovelluksiin.

Grafeeni soveltuu erityisen hyvin valosähköisiin ja valoa tuottaviin sovelluksiin, sensoreihin, valodetektoreihin, joustaviin älyikkunoihin, kosketusnäyttöihin tai vaikkapa ultranopeissa lasereissa käytettäviin saturoiviin absorbaattoreihin. Itse asiassa grafeenin toiminnallisuutta voidaan hyödyntää samanaikaisesti eri tehtävissä, esimerkiksi ääntä tuottavana, mutta samalla joustavana ja läpinäkyvänä johdekerroksena kosketusnäytöissä. Toisaalta energia-aukon säädeltävyyden avulla voidaan käyttää samaa rakennetta aurinkokennona ja valon lähteenä.

Tässä projektissa tavoitteena on valmistaa 2D-materiaaleja kuten seostettua grafeenia, heksagonaalista boorinitridiä ja sp2-hybridisoituja boorihiilityppirakenteita CVD-menetelmällä (engl, chemical vapor deposition). 2D-yhdisteiden tuottamisessa käytetään myös uutta ja ainutlaatuista menetelmää, joka perustuu metallikalvoille tehtäviin ioni-istutuksiin ja lämpökäsittelyprosesseihin. Materiaalin muodostuessa ydintymistä ja itseorganisoitumista voidaan ohjata luomalla esimerkiksi säteilyn ja lämpötilan avulla epätasapainotilanne, jonka avulla pystytään saamaan materiaaliin haluttuja ominaisuuksia. Tutkimme uusia 2D-materiaaleja kokeellisesti ja teoreettisesti sekä perehdymme niiden hyödyntämiseen elektroniikan ja optoelektroniikan sovelluksissa.