Valo on Einsteinin oppien mukaan maailmankaikkeuden nopein asia ja sitä voidaan ohjata hallitusti paikasta toiseen aaltojohteissa. Tähän perustuu esimerkiksi valokuidussa kulkeva internet. Optisten kuitujen lisäksi valoa voidaan ohjata pienen pienissä piistä ja piioksidista valmistetuissa optisissa piireissä. Näillä optisilla piireillä voidaan nykypäivänä toteuttaa tärkeimmät perinteisten mikropiirien komponentit valon avulla.
– Koska valo on äärimmäisen nopeaa ja aaltojohteet, toisin kuin sähköiset mikropiirit, voidaan valmistaa lähes häviöttömiksi, optisten piirien käyttö mahdollistaisi valtavan teknologialoikan esimerkiksi maailman mittakaavassakin merkittäviä määriä energiaa kuluttavissa datakeskuksissa, Eero Koivusalo kertoo.
Vaikka optisten piirien valmistus on jo teollisessa mittakaavassa hallittu prosessi, palapelin viimeiset palat puuttuvat. Pii on nimittäin huono materiaali valonlähteiden ja optisiin piireihin sopivien detektorien valmistamiseen. Nykyisin optisten piirien valonlähteet valmistetaan irrallisina komponentteina III-V puolijohteista, jotka koostuvat nimensä mukaan alkuaineryhmien III ja V atomeista. Niitä ei kuitenkaan voida valmistaa yhtenäisesti kasvattaen piille, koska piin ja III-V puolijohteiden hilavakiot eroavat toisistaan, eli niiden atomit haluavat olla eri etäisyyksillä toisistaan. Tämä on yksi ongelmista, jonka Eero Koivusalon väitöskirjassaan kehittämät III-V puolijohdenanolangat voisivat ratkaista.
– Noin tuhat kertaa ihmisen hiusta ohuemmat nanolangat voivat vapauttaa eri hilavakioiden aiheuttaman jännityksen sivuilleen ja siksi kasvaa ehjinä piin päälle, Koivusalo kertoo.
III-V puolijohdenanolangoista on maailmalla jo valmistettu lasereita, LEDejä, aurinkokennoja ja optisia detektoreja. Samaan aikaan niiden monimutkaisen kasvumekanismin perusteet ovat kuitenkin aktiivisen tutkimuksen kohteena. Koivusalon väitöskirja keskittyy nanolankojen kasvumekanismien tutkimiseen sekä kasvatusmenetelmän kehittämiseen. Työvälineenään hän on käyttänyt molekyylisuihkuepitaksiaa.
– Työssäni esitellään nanolankojen kasvatusmenetelmä, jolla olen kasvattanut kokojakaumaltaan maailman yhtäläisimmät nanolangat. Koska nanolankojen koko ratkaisee, miten valo käyttäytyy niiden sisällä, kokojakauman hallinta on erittäin tärkeää tulevaisuuden sovelluksissa, Koivusalo kertoo.
Samalla menetelmällä väitöskirjassa onnistuttiin hallitusti muuttamaan nanolankojen kasvusuuntaa, mitä voidaan hyödyntää kvantti-ilmiöiden tutkimiseen käytettävien nanolankaverkostoiden valmistuksessa.
– Tutkimuksen tärkeimmät liittyvät III-V puolijohdenanolankojen koostumukseen. Monimutkaisen kasvumekanisminsa vuoksi nanolankojen seostaminen sähköä johtavaksi on haastavaa. Sähköisten ominaisuuksien tapaan niiden tuottaman valon aallonpituutta voidaan muuttaa niiden alkuainekoostumusta muuttamalla. Näiden menetelmien hallinta on keskeisessä roolissa väitöskirjassani. Useiden eri alkuaineiden sitoutumismekanismien tunnistaminen ja niiden parantaminen sekä valon tuotto tietoliikenneaallonpituuksilla kuvaavat tulosten käytännöllistä potentiaalia tulevaisuuden piifotoniikassa, listaa Koivusalo tärkeimpiä tuloksiaan.
Diplomi-insinööri Eero Koivusalon fotoniikan alaan kuuluva väitöskirja Advancing the Fundamentals in Molecular Beam Epitaxy growth of GaAs-based Nanowires tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 20.11.2020 klo 12.15 Hervannan kampuksella Sähkötalon salissa S2 Korkeakoulunkatu 3. Vastaväittäjänä toimii etäyhteydellä professori Lucia Sorba (Instituto Nanoscienze CNR, Italia). Kustoksena toimii professori Mircea Guina tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.
Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1761-4
Tapahtumaa voi seurata etäyhteydellä
Kuva: Riku Isoaho