Ajankohtaista

Väitös: 7.12.2016 Hiilinanoputkista valoantureita plasmonien avulla (Isoniemi)

Alkamisaika: keskiviikko 07. joulukuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: keskiviikko 07. joulukuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, FYS1

Tommi Isoniemi
Tommi Isoniemi

FM Tommi Isoniemen fysiikan alan väitöskirjan ”Optical properties of conductive carbon-based nanomaterials” (Hiilipohjaisten nanojohteiden optiset ominaisuudet) tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Yuri Svirko (Itä-Suomen yliopisto) ja kustoksena yliopistonlehtori Jussi Toppari (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Nanorakenteisen hiilen muodostamilla materiaaleilla, kuten hiilinanoputkilla ja grafeenilla, on kiintoisia ominaisuuksia etenkin kestävyyden ja sähkönjohtavuuden osalta. Yksiseinäiset hiilinanoputket voivat olla joko puolijohtavia tai metallisesti johtavia kiertymissuuntaansa perustuen. Täten näistä putkista voidaan valmistaa sekä transistoreita että sähkönjohteita.

Väitöstutkimuksessa tutkittiin hiilinanoputkitransistorien herkkyyttä valolle, ja valmistettiin ensimmäinen pintaplasmoneilla hallittava hiilinanoputkitransistori. Pintaplasmoni on valon ja metallin vapaiden elektronien liikkeestä muodostuva yhdistelmäaalto. Se kulkee metallin pintaan sidottuna, vaikka itse metallissa tavanomainen valo ei voi kulkea. Tämän vahvan keskittymisen ansiosta plasmonien avulla voidaan valmistaa entistä pienempiä optisia komponentteja.

– Plasmoneilla ja niiden vaikutuksella transistorin pinnan kemiaan saatiin nanoputken sähkönjohtavuutta muutettua pienemmällä optisella teholla kuin tavanomaisella valolla. Tällä löydöllä on mahdollisia sovelluksia valoantureissa, Isoniemi toteaa.

Tutkimuksessa myös mitattiin valon spektriä sähköä johtavista läpinäkyvistä polymeereistä sekä hiilinanoputkikalvoista, joihin oli eroteltu pelkästään joko metallisia tai puolijohtavia putkia. Metallisesti johtavien putkien verkostoissa nähtiin uudenlaisia putkien omiin eksitoneihin kytkeytyviä viritystiloja, joilla on osittaisia yhteneväisyyksiä metallien pintaplasmonien kanssa.

– Näiden materiaalien optisten ominaisuuksien tutkiminen on tärkeää, koska niitä kehitetään läpinäkyviksi johteiksi kosketusnäyttöihin ja aurinkokennoihin. Hiilinanoputkista löydettyjen viritystilojen tarkka selitys on vielä epävarma, mutta jos ne ovat luonteeltaan magneettisia, uudenlaiset optiset metamateriaalit voivat olla käyttökohteena putkille, Isoniemi kertoo.

Lisätietoja:

Tommi Isoniemi, tommi.isoniemi@jyu.fi, puh. +358 40 524 2776
tiedottaja Anitta Kananen tiedotus@jyu.fi, puh. +358 40 805 4142

Tommi Isoniemi kirjoitti ylioppilaaksi Imatran yhteislukiosta vuonna 2003. Hän aloitti syksyllä 2004 opinnot Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella, josta valmistui filosofian maisteriksi vuonna 2010. Hän on työskennellyt molekyylielektroniikan ja plasmoniikan tutkimusryhmässä vuodesta 2008. Väitöksen jälkeen hän siirtyy tutkijatohtorin tehtäviin (IIT Genova, Italia).

Tutkimus valmistui Jussi Topparin tutkimusryhmässä, toisena ohjaajana toimi erikoistutkija Andreas Johansson. Tutkimusta ovat rahoittaneet valtakunnallinen nanotieteiden tutkijakoulu (NGS-NANO), Suomen Akatemia sekä Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälän rahasto.

Teos julkaistaan sarjassa Department of Physics Research Report, ISSN 0075-465X, numerona 13/2016, 102 s. + artikkelit. ISBN 978-951-39-6805-2 (paperiversio), ISBN 978-951-39-6806-9 (PDF). Teosta voi tiedustella fysiikan laitokselta ja se on luettavissa osoitteessa https://www.jyu.fi/fysiikka/opiskelu/opinnaytteet/tutkielmat/theses/2016

Abstract

Optical properties of conductive carbon-based nanomaterials

The interaction of light with carbon nanomaterials is the main focus of this thesis. I explore several nanostructured systems involving different allotropes of carbon, and characterize them both electrically, if applicable, and optically. Special attention is paid to search for plasmon-like excitations on the systems, or utilizing surface plasmons on characterization.

The first objective is to achieve control of carbon nanotube (CNT) conductivity with surface plasmon polaritons (SPPs), which resulted in the first CNT field-effect transistor (FET) that can be gated definitively with SPPs. The second objective is the investigation of optical properties of various thin carbon-based molecular networks. Recently developed methods allow separation of different types of CNTs. Inspired by that, films consisting of only metallic-type single-walled (SW)CNTs were studied, which led to the discovery of a dispersive collective optical resonance in these thin films. With similar methods, conductive polymer films were also measured.

To pursue the first goal, a FET was fabricated using a semiconducting-type SWCNT and a thin silver film as a backgate, on which SPPs were excited close to the CNT via the Kretschmann total internal reflection (TIR) configuration. As a result, the CNT FET could be gated at a low optical excitation power using SPPs, which most likely trigger desorption on the device, alter the Schottky barriers on CNT contacts and modulate the current. A scanning near-field optical microscope was also used to measure the local photosensitivity of the CNT FETs.

Thin films of chirality-selected SWCNTs were measured with optical spectroscopy in TIR conditions, and a new collective excitation was discovered in metallic-type SWCNTs. This dispersive phenomenon appeared only with a polarization not able to excite regular SPPs, and was linked to the excitonic transitions of the tubes. It shared features with SPPs such as the dependence on both the film thickness and the properties of the surrounding medium. Transparent conductive polymer films, some with graphene flakes, were also characterized, and their optical properties evaluated with TIR spectroscopy. No plasmonic or other peculiar resonances were detected, but the study led to a method to evaluate the optical anisotropy in thin polymer films. Using this method, it was possible to measure thick and uneven films, that are unsuitable for ellipsometry.

kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,