Materiaalin funktionaalisuutta voidaan tehostaa useilla ulkoisilla ärsykkeillä (Väitös FM Tomi Elovaara, 18.6.2016, fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 13.6.2016

Tietotekniikan komponenttien nopea kehitys on pitkään tukeutunut komponenttien koon pienentämiseen ja määrän kasvattamiseen. Tämän kaltainen kehitys on viime vuosina kuitenkin hidastunut komponenttien koon saavuttaessa fysikaalisen alarajansa.

Näin ollen on yhä tärkeämpää tutkia uudenlaisia funktionaalisia materiaaleja, joista voidaan kehittää täysin uudenlaisia yhä nopeampia ja energiatehokkaampia komponentteja. Tutkimusryhmä tarkasteli PCMO-ohutkalvon ominaisuuksia sekä mahdollisuuksia soveltaa kyseistä materiaalia tietotekniikan komponenteissa.

PCMO-ohutkalvon rakenteen optimoinnin sekä valotuksen avulla tutkimusryhmä onnistui laskemaan ohutkalvojen eriste-metalli-faasimuutokseen tarvittavaa magneettikenttää huomattavasti. Lisäksi PCMO ohutkalvot saatiin herkistettyä valolle magneettisen taustakentän avulla, jolloin kalvon altistaminen valolle laski näytteen resistanssia noin yhdeksän dekadia, aiheuttaen näin materiaalissa eriste-metalli-faasimuunnoksen kylmässä.

– Fysikaalisena ilmiönä eriste-metalli-faasimuutos onkin kiinnostava juuri siksi, että sitä voidaan hyödyntää uudenlaisen elektroniikan kuten resistiivisten muisti- ja memristor-komponenttien kehityksessä, Elovaara kertoo.

Tällaisia materiaaleja, joissa eriste-metalli-faasimuutos tapahtuu, kutsutaan Mottin eristeiksi.

– Niissä materiaali muuttuu eristävästä metalliseksi ulkoisen ärsykkeen kuten lämpötilan, sähkökentän, magneettikentän, paineen tai valon vaikutuksesta. Kyseisiä faasimuunnoksia ei vielä ole täydellisesti ymmärretty, sillä ne ovat erittäin monimutkaisia, joissa elektronien spin-, orbitaali- ja varausjakauma sekä materiaalin kiderakenne vuorovaikuttavat keskenään, tarkentaa Elovaara.

PCMO-materiaali on malliesimerkki kolossaalimagnetoresistiivisestä Mottin eristeestä, joka muuttuu eristävästä johtavaksi magneettikentän vaikutuksesta. Muutos PCMO-materiaalin resistiivisyydessä on erittäin suuri, mutta muutokseen tarvittava magneettikenttä on usein hyvin suuri, yli 8 T.

– Nyt tutkimusryhmämme valmistamissa rakenteellisesti optimoiduissa PCMO-ohutkalvoissa eristefaasi saatiin sulatettua jo 4.4 T magneettikentällä 10 K lämpötilassa. Mittauksissa havaittiin myös, että lämpötilan nostaminen laski faasimuutokseen tarvittavaa magneettikenttää entisestään, mutta samalla myös muutos resistiivisyydessä pieneni.

Kun optimoidut PCMO filmit altistettiin magneettikentän lisäksi myös staattiselle valotukselle, ärsykkeiden yhteisvaikutus pienensi faasimuunnokseen tarvittavaa magneettikenttää 2.2 T (50%) pitäen resistiivisyyden muutoksen ennallaan n. yhdeksässä dekadissa. Valon ja magneettikentän yhteisvaikutus nimettiin magneettifotoresistanssiksi.

***

FM Tomi Elovaara esittää väitöskirjansa Magnetophotoresistance in Pr1-xCaxMnO3 thin films (Magnetofotoresistanssi Pr1-xCaxMnO3 ohutkalvoissa) julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 18.6.2016 klo 10.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Josep Fontcuberta (Barcelonan autonominen yliopisto, Espanja) ja kustoksena professori Petriina Paturi, Turun yliopisto. Tilaisuus on englanninkielinen.

FM Tomi Elovaara on syntynyt vuonna 1986 ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2005 Hermannin lukiossa, Salossa. Korkeakoulututkintonsa (FM) Elovaara on suorittanut 2011 Turun yliopistossa. Väittelijä työskentelee insinöörinä Bluefors Cryogenics -yrityksessä. Väitöksen alana on fysiikka.

Väittelijän yhteystiedot: p. 040 776 3870, tklov(at)gmail.com

Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/elovaara_tomi.JPG

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: https://www.doria.fi/handle/10024/124095