Puolijohdemateriaali piille löytyy uusia lupaavia haastajia, mutta niiden säteilynkestävyydestä ei ole vielä tarpeeksi tutkittua tietoa. Sitä haetaan ensi vuonna Aalto-yliopistossa alkavassa tutkimusohjelmassa, joka keskittyy uudenlasiin ennustusmenetelmiin puolijohdemateriaalien säteilyvaurioista.
Aalto-yliopistolla alkava tutkimusprojekti on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC) miljoonarahoituksen. Se voisi lisätä tulevaisuudessa elektroniikkalaitteiden käyttöikää ja edistää uusien materiaalien käyttöönottoa elektronisissa komponenteissa. Tällä hetkellä säteilyvaurioita ennustetaan pääasiassa empiiristen tutkimustulosten avulla. Aalto-yliopiston tutkijat pyrkivät ennustamaan ja selittämään vaurioita lähtemällä liikkeelle fysiikan teoriasta eli ilmiötä selittävistä matemaattisista malleista.
“Teemme kvanttimekaniikan mallien perusteella tietokonesimulaatioita, joiden pohjalta voidaan sekä selittää että ennustaa vaurioiden muodostuminen ja niiden rakenne”, kertoo 1,5 miljoonan euron ERC Starting Grant rahoituksen saanut apulaisprofessori Andrea Sand.
Aalto-yliopiston tutkijat vertaavat simulaatioiden tuottamia ennusteita empiiristen kokeiden tuomiin tuloksiin, esimerkiksi elekronimikroskooppikuviin. Näin he pystyvät sekä vahvistamaan simulaatioon perustuvien ennusteiden paikkansapitävyyden että tuottamaan aiempaa parempaa ymmärrystä vaurioiden synnystä ja luonteesta.
“Koska simulaatio perustuu fysiikan käsitteisiin ja malleihin, se antaa meille samalla selityksen käsillä olevasta ilmiöstä. Tätä ei välttämättä saada pelkästään empiirisistä kokeista’’, apulaisprofessori Sand kertoo.
Pii on edelleen silti eniten käytetty materiaali, joka on ollut myös avainroolissa nykytietokoneiden laskentatehon kasvussa. Samalla piimateriaalin rajat ovat kuitenkin tulleet vastaan, joten sille haetaan korvaavia materiaaleja, jotka pystyisivät vielä parempaan.
Piin korvaamista monissa hiukkassäteilyn ympäristöissä kuten avaruudessa hidastaa uusien materiaalien osin tuntemattomat vaurioitumisrakenteet. Tähän Aalto-yliopiston tutkimus voi tuoda helpotusta: jos tutkijat oppivat ennustamaan säteilyvaurioita empiiristen kokeiden sijaan matemaattisten mallien pohjalta, uusien materiaalien käyttäytymisestä voidaan saada tietoa nykyistä nopeammin ja helpommin.
“Uusien materiaalien säteilynkestävyyden selvittäminen kokeellisesti on kallista ja vie paljon aikaa. Jos – ja kun – onnistumme luotettavasti mallintamaan nyt käytössä olevien puolijohteiden säteilyvaurioita fysiikan perusteista lähtien, voimme ottaa seuraavan askeleen ja tehdä tällaisia ennusteita myös uusille materiaaleille”, Aalto-yliopiston apulaisprofessori Sand taustoittaa.