Kehittyneempää elektroniikkaa materiaalien perustutkimuksen ansiosta (Väitös: FM Minnamari Saloaro, 28.11.2015, fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 19.11.2015

Elektronin spiniin perustuvalla elektroniikalla eli spintroniikalla on ollut keskeinen rooli informaatioteknologian kehityksessä aina vuodesta 1988 asti, jolloin suuri magnetoresistanssi löydettiin. Tähän päivään mennessä spintroniikan komponenttien käyttö on kasvattanut tallennuskapasiteetin yli 1000-kertaiseksi ja luonut pohjan nykyajan elektroniikan sovelluksille.

– Kun perinteisen elektroniikan rajat tulevat vastaan, spintroniikan uskotaan olevan ratkaisu alati kasvaville datankäsittelynopeuden ja energian säästön tarpeille. On selvää, että spintroniikan komponentit tulevat olemaan tärkeä osa tulevaisuuden elektroniikkaa, eikä kaikkia niiden tarjoamia ainutlaatuisia mahdollisuuksia kyetä vielä edes ymmärtämään, Saloaro sanoo.

Hän keskittyi väitöstutkimuksessaan magnetoresistiivisten Sr2FeMoO6-ohutkalvojen tutkimiseen. Korkealaatuiset ohutkalvot ovat välttämättömiä laitteiden valmistuksessa, sillä spintroniikan komponentit ovat yksittäisistä ohutkalvoista koottuja monikerrosrakenteita.

Väitöstutkimuksen tavoitteena oli spintroniikan kannalta olennaisten magneettisten ominaisuuksien ja virrankuljetusominaisuuksien parantaminen erityisesti ohutkalvonäytteissä. Ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa muokkaamalla nanokokoluokan rakenteellisia virheitä.

– Spintroniikan komponenttien ominaisuudet ja mahdollisuudet riippuvat suurelta osin niissä käytettyjen materiaalien ominaisuuksista. Tämän vuoksi materiaalien tutkimus ja uusien potentiaalisten materiaalien löytäminen on keskeistä kehittyneempien ja täysin uudenlaisten spintroniikan sovellusten saavuttamiseksi, Saloaro toteaa.

Atomitason rakenteelliset ominaisuudet tärkeimmässä roolissa

Saloaron tutkimus painottui Sr2FeMoO6-ohutkalvoissa olevien rakenteellisten virheiden vaikutuksiin sekä magneettikentästä riippuvien virrankuljetusominaisuuksien selventämiseen. Hän tutki niitä kasvattamalla Sr2FeMoO6- ohutkalvoja muun muassa erilaisille yksittäiskiteisille alustoille vaihtelevissa kasvatusolosuhteissa.

– Erilaisia spintroniikkaan soveltuvia materiaaleja on useita, joista yksi potentiaalinen materiaaliryhmä on kompleksiset magneettiset oksidit. Näillä materiaaleilla on spintroniikan sovellusten kannalta tärkeitä ominaisuuksia, kuten varauksenkuljettajien spinien samansuuntaisuus ja suuri magneettikentän aikaansaama muutos resistanssissa. Ennen kuin spintroniikan kannalta kiinnostavia materiaaleja voidaan hyödyntää, on kuitenkin ensiarvoisen tärkeää ymmärtää fysiikka ja ilmiöt näiden ominaisuuksien taustalla, Salosaro selventää.

Sovellusten kannalta yksi tärkeimmistä parametreista on Sr2FeMoO6-ohutkalvojen Curien lämpötila, koska vasta tämän lämpötilan alapuolella havaitaan useat sovelluksille tärkeät ominaisuudet.

– Curien lämpötilan kasvattaminen on yksi tärkeimmistä askelista kohti huoneen lämpötilassa toimivia ja ohutkalvoja hyödyntäviä sovelluksia. Yhdistämällä kokeellisia tuloksia yhteistyökumppaneidemme teoreettisiin laskelmiin, pystyimme selvittämään, miten Sr2FeMoO6-ohutkalvojen Curien lämpötilaa voidaan tulevaisuudessa kasvattaa, Saloaro sanoo.

Keskeisimmiksi tekijöiksi Curien lämpötilan kasvattamisen kannalta tutkimuksessa todettiin materiaalin sisäiset atomitason virheet. Erityisen suuressa roolissa ovat Fe- ja Mo-atomien järjestyksen parantaminen sekä happiatomien poistaminen Sr2FeMoO6:n kiderakenteesta. Tämän lisäksi tutkimuksessa havaittiin Sr2FeMoO6-ohutkalvojen magneettisten ominaisuuksien olevan vahvasti riippuvaisia erilaisista ulkoisten tekijöiden aiheuttamista rakenteellisista virheistä, jotka aiheutuvat muun muassa alustan ja ohutkalvon hilojen yhteensopimattomuudesta.

***

Lauantaina 28. marraskuuta 2015 kello 12.00 esitetään Turun yliopistossa (Quantum, Quantumin auditorio, osoite, Turku) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Minnamari Saloaron väitöskirja The Role of Structural Imperfections in Sr2FeMoO6 Thin Films. Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Michael Lorenz (Univeristy of Leipzig, Saksa) ja kustoksena professori Petriina Paturi Turun yliopistosta.

FM Minnamari Saloaro on syntynyt vuonna 1986 ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2005 Hermannin lukiosta Salosta. Filosofian maisteriksi Saloaro valmistui 2010 Turun yliopistosta. Väitös kuuluu fysiikan alaan.