Siirry pääsisältöön

Kiderakenteiden virheiden tutkimukseen uusi menetelmä

MIDE-tutkimusohjelman HighLight-projektissa on kehitetty uusi mittausmenetelmä eristeiden ja puolijohteiden optisia ominaisuuksia heikentävien virheiden tutkimukseen. Samalla tutkijat ovat ratkaisseet vain pimeässä kauniiden timanttien arvoituksen. Tutkimus tehtiin Aalto-yliopiston Teknillisen fysiikan ja Mikro- ja nanotekniikan laitoksen sekä DTC Research Centren (Iso-Britannia) yhteistyönä.

Suurimmalle osalle ihmisistä tulee luonnontimantista mieleen kirkkaan säihkyvä jalokivi. Vähemmän tunnettua on, että valtaosa puhtaimmistakin luonnontimanteista on väriltään samean ruskean sävyistä.

Nämä timantit ovat ulkonäöltään ja kaupalliselta arvoltaan huomattavasti vähäisempiä kuin kirkkaat ja värittömät – tosin arvokkaimpia ovat äärimmäisen harvinaiset vaaleanpunaisen ja sinisen sävyt. Samean ruskean värin täsmällinen alkuperä on tähän saakka ollut tuntematon, kun esimerkiksi timantin sinisen värin on jo pitkään tiedetty aiheutuvan booriepäpuhtauksista. Kaikkien luonnollisten värisävyjen, kuten edellä mainitun vaaleanpunaisen, alkuperää ei kuitenkaan vielä tunneta.

Antimateriakeskittymät veivät uuden tutkimusmenetelmän jäljille

Teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat diplomi-insinööri Jussi-Matti Mäki ja dosentti Filip Tuomisto ovat jo joitakin vuosia tutkineet luonnontimantteja antimaterian avulla. Mittaamalla positronien elinaikaa timantissa on paljastunut, että ruskeiden timanttien kiderakenteessa on suuria tyhjän tilan keskittymiä, kymmenien puuttuvien atomien muodostamia vakanssiklustereita.

Valaisemalla näytteitä näkyvän valon aallonpituuksilla positronimittausten aikana havaittiin, että positronien loukkuuntuminen näihin vakanssiklustereihin kasvaa voimakkaasti. Tämän tulkitaan johtuvan siitä, että valo virittää elektroneja timantin miehitetyiltä valenssivyön tiloilta vakanssiklusteritiloille. Ilmiö nähdään paljain silmin absorptiona, joka vähentää näkyvän valon spektristä kaikkia aallonpituuksia siniseen päähän painottuen, aiheuttaen savuisen ruskean sävyn.

Ilmiön tutkimiseksi Mäki ja Tuomisto ovat kehittäneet uuden kokeellisen tutkimusmenetelmän, jolla vakanssivirheiden optisia ja sähköisiä ominaisuuksia voidaan tutkia aiempaa tarkemmin. Menetelmä perustuu näytteiden valaisuolosuhteiden säännölliseen vaihtelemiseen ja ajasta riippuvien muutosten mittaamiseen positronispektroskopialla.

Samaa menetelmää voidaan soveltaa puolijohdeteknologian kannalta merkittävämpiin materiaaleihin, esimerkiksi galliumnitridipohjaisiin ohutkalvoihin, joita käytetään valoa emittoivissa diodeissa (LEDeissä). Tyypillisesti vakanssivirheet vaikuttavat huonontavasti LEDien tehokkuuteen, ja niiden ominaisuuksien ymmärtäminen onkin äärimmäisen tärkeää tulevaisuuden matalakulutuksisten valaistusratkaisujen ja optoelektroniikan komponenttien kehittämisen kannalta.

Teksti: Jussi-Matti Mäki ja Filip Tuomisto
Kuva: Copyright © Rob Lavinsky & irocks.com

---
J.-M. Mäki, F. Tuomisto, A. Varpula, D. Fisher, R. U. A. Khan, and P. M. Martineau, Time dependence of charge transfer processes in diamond studied with positrons, Physical Review Letters 107, 217403 (2011).

J.-M. Mäki, F. Tuomisto, C. J. Kelly, D. Fisher, and P. M. Martineau, Properties of optically active vacancy clusters in type IIa diamond, Journal of Physics: Condensed Matter 21, 364216 (2009).