Pii on nykyään eniten käytetty puolijohdemateriaali. Se on ollut avainroolissa tietokoneiden laskentatehon huimassa kasvussa viime vuosina, mutta materiaalin rajat ovat tulleet vastaan. Piin korvaamista kovan hiukkassäteilyn ympäristöissä käytettävissä laitteissa hidastaa osaltaan se, että uusien materiaalien toimivuus säteilyolosuhteissa on pitkälti arvoitus. Tätä selvitetään apulaisprofessori Andrea Sandin vetämässä hankkeessa.
Andrea Sandin tutkimusprojekti on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC) 1,5 miljoonan euron rahoituksen puolijohteiden säteilyvaurioiden parempaan ennustamiseen. Uusi ennustamisen tapa voisi lisätä laitteiden käyttöikää ja edistää uusien materiaalien käyttöönottoa erilaisissa 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 apulaisprofessori Andrea Sand.
Tutkijat vertaavat simulaatioiden tuottamia ennusteita empiiristen kokeiden tuomiin tuloksiin, esimerkiksi elektronimikroskooppikuviin. 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, Sand selventää.
Hänen mukaansa piillä on menty melkeinpä niin pitkälle kuin pystytään. - Nyt haetaan uusia materiaaleja, jotka pystyisivät vielä parempaan.
Tähän Sandin tutkimus voi tuoda helpotusta: jos tutkijat oppivat ennustamaan säteilyvaurioita empiiristen kokeiden sijaan matemaattisten mallien pohjalta, uusien materiaalien käyttäytymisestä voidaan saada tietoa paljon 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. Ennusteiden tekeminen laskennallisesti vähentää merkittävästi kokeellista kuormaa, Sand päättää.
Kuva: Jaakko Kahilaniemi / Aalto-yliopisto
