Ajankohtaista

Väitös: 16.6.2017: Toiminnallisia ohutkalvoja voidaan kasvattaa jopa huoneenlämmössä (Napari)

Alkamisaika: perjantai 16. kesäkuuta 2017, 12.00

Päättymisaika: perjantai 16. kesäkuuta 2017, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, FYS1

FM Mari Naparin fysiikan väitöskirjan ”Low-temperature thermal and plasma-enhanced atomic layer deposition of metal oxide thin films” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Christophe Detavernier (Ghent University, Belgium) ja kustoksena professori Timo Sajavaara (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Mari Napari
Mari Napari. Kuva: Timo Sajavaara
Atomikerroskasvatus (atomic layer deposition, ALD) on tällä vuosituhannella saavuttanut vakiintuneen aseman ohutkalvojen valmistusmenetelmänä. ALD mahdollistaa tasaisten ohutkalvojen kasvatuksen atomikerroksen tarkkuudella, ja menetelmää käytetään nykyään esimerkiksi osana mikroprosessorien valmistusta.

Uudenlaiset teknologiat, joissa hyödynnetään perinteisten piikiekkojen sijaan orgaanisia materiaaleja kuten polymeerejä, asettavat ALD-menetelmälle uusia mahdollisuuksia ja haasteita.

Väitöskirjatyössään Mari Napari tutki, mitkä tekijät vaikuttavat metallioksidien atomikerroskasvatukseen ja näin aikaansaatujen ohutkalvojen ominaisuuksiin, kun kasvatuslämpötilaa lasketaan tavanomaisesta muutamasta sadasta asteesta jopa huoneenlämpötilaan ja kasvatusalustana käytetään erilaisia polymeerimateriaaleja.

Tutkimuksessa havaittiin, että ohutkalvon kasvu näissä lämpötiloissa riippuu vahvasti paitsi kasvatettavasta materiaalista, myös polymeerin ominaisuuksista.

– Huolimatta kasvua rajoittavista tekijöistä, kalvojen ominaisuuksien ei havaittu heikkenevän, mikä on lupaavaa erilaisia sovelluskohteita ajatellen, Napari toteaa ja mainitsee esimerkkeinä mahdollisista sovelluskohteista taipuisan elektroniikan ja pintojen funktionalisoinnin.

Kasvatusprosessin tehostamiseksi tutkittiin myös plasma-avusteista atomikerroskasvatusta (plasma-enhanced ALD, PEALD), jossa hyödynnetään plasmassa syntyviä reaktiivisia hiukkasia. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti siihen, miten erilaiset plasmageneraattorit ja kasvatusreaktorien konfiguraatiot vaikuttavat plasmaolosuhteisiin ja sitä kautta sinkkioksidikalvojen kasvuun.

– Vaikka plasmaa käytetään paljon erilaisissa mikrovalmistusmenetelmissä, perusteellista tutkimusta plasman ominaisuuksien merkityksestä plasma-avusteiseen atomikerroskasvatukseen on aikaisemmin tehty matalan lämpötilan prosesseista yllättävän vähän, Napari hämmästelee.

Tutkimuksessa osoitettiin plasmaolosuhteiden vaikuttavan huomattavasti kalvojen ominaisuuksiin, mutta olosuhteiden optimointi polymeerien päälle tapahtuvalle kasvatukselle voi olla haastavaa. Tämän lisäksi havaittiin plasman hakeutuvan erilaisiin toimintatiloihin eli moodeihin, jotka johtavat merkittäviin muutoksiin plasmassa ja vaikuttavat siten myös kasvatettuihin kalvoihin.

– Väitöskirjatyöni tuloksia voidaan toivottavasti tulevaisuudessa hyödyntää PEALD-prosessien kehityksessä ja optimoinnissa, sekä mahdollisesti myös suunniteltaessa uudenlaisia kasvatusreaktoreja, Napari tiivistää.

Lisätietoja:

Mari Napari, mari.napari@jyu.fi, puh. +358 50 321 3263
Viestintäharjoittelija Anni Laine, anni.l.k.laine@jyu.fi, puh. +358408054483

Mari Napari kirjoitti ylioppilaaksi Joensuun lyseon lukiosta vuonna 2004. Hän valmistui filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta vuonna 2010. Väitöskirjassa esitetty tutkimus on tehty vuosina 2013–2017 professori Timo Sajavaaran ohjauksessa kiihdytinpohjaisen materiaalifysiikan tutkimusryhmässä sekä matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan poikkitieteellisessä nanotiedekeskuksessa.

Teos julkaistaan sarjassa Department of Physics Research Report, No. 4/2017 ISSN 0075-465X. Sähköinen versio ISBN 978-951-39-7099-4 on luettavissa osoitteessa https://www.jyu.fi/static/fysiikka/vaitoskirjat/2017/Napari-Mari_2017 . Painettua versiota voi tiedustella fysiikan laitokselta ISBN 978-951-39-7098-7.

Abstract

Atomic layer deposition (ALD) is a method for thin film fabrication with atomic level precision. This thesis focuses on low-temperature thermal and plasma- enhanced ALD and presents results on thin film growth by these techniques with examples of common ALD materials: Al2O3, ZnO and TiO2.

As an example of limitations of the thermal ALD the nucleation and growth of Al2O3 and ZnO films on different grades of poly(methyl methacrylate) (PMMA) are presented, showing that the initiation of the growth is strongly dependent on both the deposited material and the substrate. A potential application of the ALD ZnO films in polymer surface functionalization is demonstrated by changing in the surface wettability by means of UV-illumination.

To overcome the nucleation delay in thermal ALD, room-temperature PEALD of ZnO films was demonstrated. It is shown that the growth and properties of the films depend on the PEALD reactor configuration and the plasma conditions therein. The plasma species interactions shown to be beneficial to the film growth were observed to damage the polymer substrates, the severeness depending on the polymer material.

The last part of this thesis describes plasma mode transitions in capacitively- and inductively-coupled plasmas, that are typically used in PEALD processing. In addition to the mode transition induced changes in the plasma parameters, the contribution of the different plasma species to the growth and properties of ZnO and TiO2 films are demonstrated and discussed.

Lisätietoja

Mari Napari
mari.napari@jyu.fi
+358408054097
kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,