Valon sähköiseksi signaaliksi muuttava säteilyilmaisin on nykyelektroniikan työhevonen. Sitä tarvitaan niin sykemittarissa kuin kännykkäkameran tai laserkeilaimen kuvakennossa. Nykyisissä säteilyilmaisimissa on kuitenkin rutkasti parantamisen varaa.
Vuonna 2016 Nature Photonics -tiedelehdessä ilmestyi Aalto-yliopiston tutkijoiden tutkimusartikkeli, joka esitteli uudenlaisen mustaan piihin pohjautuvan säteilyilmaisimen eli valodioditeknologian.
– Se on käytännössä häviötön säteilyanturi, joka näkee lähes kaiken anturille päätyvän säteilyn aallonpituudesta tai tulokulmasta riippumatta, kertoo Juha Heinonen, TEKin ja TFiFin väitöskirjapalkinnon vuoden 2023 voittaja.
Uusi säteilyilmaisin lyö laudalta kaikki aikaisemmat anturit, jotka ovat parhaimmillaan vain kapealla aallonpituusalueella ja silloin, kun valo tulee anturille kohtisuoraan.
Tuosta Nature-artikkelista tuli Heinosen väitöskirjan ensimmäinen tutkimuspaperi. Uusi ilmaisinrakenne toimii käytännössä häviöttä laajalla spektrillä 170 nanometristä aina 1 100 nanometriin. Anturi havaitsee valon, vaikka se tulisi 60 asteen kulmassa.
Ylivoimaisen suorituskyvyn salaisuus on musta pii, johon perustuvia aurinkokennoja Aalto-yliopiston elektronifysiikan tutkimusryhmä oli kehittänyt vuodesta 2011 lähtien professori Hele Savinin johdolla.
Ei heijastuksia, ei häviöitä
Musta pii tarkoittaa puolijohteen pinnan nanorakennetta, joka elektronimikroskooppikuvassa näyttää terävien piikkien muodostamalta metsältä.
– Piikit ovat samaa kokoluokkaa kuin valon aallonpituus. Pinta näyttää täysin mustalta, koska valo eksyy metsikköön eikä pääse heijastumaan takaisin, Heinonen kertoo.
Ryhmän tutkijat halusivat kokeilla, toimisiko aurinkokennojen suorituskykyä parantanut valmistusmenetelmä myös säteilyilmaisimen valmistuksessa.
– Ne ovat rakenteeltaan hyvin lähellä toisiaan.
Toimihan se. Jo ensimmäiset säteilyilmaisimet, joita myös diplomityöntekijäksi ryhmään tullut Heinonen oli kehittämässä, olivat suoritusarvoiltaan lupaavia. Heinonen sai tehtäväkseen suunnitella parannetun version. Työ jatkui väitöskirjatutkijana. Väitöskirjansa toisessa paperissa Heinonen selittää perusfysiikan, miksi uudella menetelmällä valmistetut säteilyilmaisimet ovat niin hyviä.
Pikavauhdilla yrittäjäksi
Syksyllä 2023 Heinosen väitöskirjan valmistumisesta on kulunut puolitoista vuotta ja Nature-artikkelin ilmestymisestä jo seitsemän vuotta. Juha Heinonen muistelee palkitun väitöskirjansa ensi askeleita työpaikallaan, vuonna 2017 perustetun ElFys Oy:n neuvotteluhuoneessa. Hän on yksi teknologiaa kaupallistavan yrityksen perustajista.
Heinosen väitöstutkijan ura Aalto-yliopiston leivissä jäi lopulta vain runsaan vuoden mittaiseksi, kun yrittäjä hyppäsi täysipäiväisesti töihin startup-yritykseen tammikuussa 2018.
Elektronifysiikan tutkimusryhmässä käynnistynyt säteilyilmaisinkehitys siirtyi pian ElFys Oy:n kaupallistettavaksi. Heinonen ei kerro asiakkaiden nimiä, mutta paljastaa, että yritys on tehnyt jo kauppaa 58 yrityksen kanssa 14 eri maassa. Joukossa on kulutuselektroniikan jättejä, jotka haluavat selvittää, miten uusi teknologia parantaisi heidän laitteitaan.
Laajakaistaisella säteilyilmaisimella voi olla lukemattomia sovelluksia, kosmologien metsästämän pimeän aineen etsimisestä aina optisiin sykemittareihin ja kameroiden kuvakennoihin.
Sykemittauksesta saattaakin tulla ensimmäinen kuluttajasovellus, Heinonen vihjaa. Entistä herkempi mittausanturi vaatii vähemmän valoa urheilukellon ranteen verisuonia valaisevilta ledeiltä. Näin sykemittarin akunkesto paranee merkittävästi.
Mutta mikä tekee säteilyilmaisimesta ominaisuuksiltaan ylivoimaisen?
Ensimmäinen selitys on pintarakenne. Heinonen näyttää kuvia kilpailijoiden valodiodeista, joiden värisävystä voi päätellä, mille aallonpituudelle niiden heijastuksia ehkäisevä pinnoite on optimoitu. ElFysin ilmaisimessa heijastuksia eliminoi pinnoitteen sijasta pinnan nanorakenne. Heijastamattomuudesta kielii yönmusta pinta.
Piin nanorakenne syntyy pommittamalla piikiekon pintaa piitä syövyttävällä ionisuihkulla. Näin syntynyt piikkipinta taas pinnoitetaan toisella suomalaiskeksinnöllä, atomikerroskasvatuksella (ALD) mikro- ja nanotekniikan keskus Micronovan puhdastiloissa.
Pinnoitemateriaalina toimiva negatiivisesti varattu alumiinioksidikerros parantaa sekin ElFysin komponenttien suorituskykyä entisiin valmistusmenetelmiin verrattuna.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Yli sadan prosentin hyötysuhde
Heinonen näyttää vielä mittaustuloksia ElFysin valodiodien suorituskyvystä. Sitä mitataan kvanttihyötysuhteella, joka kertoo, miten suuri osa ilmaisimelle saapuvista fotoneista irrottaa valodiodista elektronin.
ElFysin ilmaisimen hyötysuhde on paljon kilpailijoita parempi. Se pysyttelee hyvin lähellä sataa prosenttia kaikilla näkyvän valon aallonpituuksilla. Mutta kun siirrytään näkyvää valoa lyhytaaltoisemmalle ultraviolettialueelle, tapahtuu jotain kummaa. Kilpailijoiden kvanttihyötysuhde romahtaa, ElFysin ilmaisimen hyötysuhde taas nousee yli sadan prosentin.
130 prosentin kvanttihyötysuhde ei kuitenkaan pahoinpitele fysiikan lakeja, vakuuttaa Heinonen.
– Lyhyemmillä aallonpituuksilla ilmaisimelle saapuvan fotonin energia on niin suuri, että sen piistä vapaaksi potkaisema elektroni pystyy usein irrottamaan piistä toisenkin elektronin. Näin saammekin sieltä ulos keskimäärin 1,3 elektronia fotonia kohden.
Herkille UV-valomittareille on kysyntää esimerkiksi biotekniikan sovelluksissa ja teollisuusprosessien valvonnassa.
Heinosen työn kaupallista potentiaalia kehui myös vuoden väitöskirjasadon seulonut väitöskirjatoimikunta.
– Työn keskeiset tulokset on patentoitu ja teknologia on jo kaupallistettu suomalaisessa yrityksessä. Kehitetyllä valodioditeknologialla on suuri potentiaali useilla nykyelämän osa-alueilla terveysrannekkeista palovaroittimiin ja kameroihin, mainitaan palkintoperusteluissa.
Uuden teknologian kehitystyö on jatkunut myös Aallon tutkimusryhmässä, joka kurkottaa vaikeammin kaupallistettaviin sovelluksiin. Säteilyilmaisimia löytyy meidän jokaisen taskusta miljoonakaupalla, nimittäin kännykkäkameran CMOS-kuvakennon pikseleistä. Kesällä 2023 ilmestyi ryhmän ensimmäinen tutkimusartikkeli, jossa mustasta piistä oli rakennettu toimiva CMOS-kenno.
Juha Heinosen tie tekniikan tohtoriksi
- 1990. Syntyy Sammatissa.
- 2007. Lohjan lukion fysiikan opettaja kannustaa opiskelijoitaan vaikeampien tehtävien kimppuun: – Tämän kun osaa, pääsee Otaniemeen sähkölle tai teknillistä fysiikkaa opiskelemaan.
- 2010. Heinonen aloittaa sähkötekniikan opinnot Aalto-yliopistossa.
- 2012. Heinonen tarttuu professorinsa mainostamaan kesätyötilaisuuteen Micronovassa ja tutustuu puolijohteiden tutkimusmaailmaan.
- 2015. Professori Hele Savin tarjoaa diplomityöaihetta tutkimusryhmässään, aiheena mustasta piistä valmistettujen valodiodien kehitys.
- 2016. DI:ksi valmistunut Heinonen jatkaa saman aiheen parissa väitöskirjatutkijana.
- 2018. Yliopisto jää taakse, kun Heinonen siirtyy kollegoidensa kanssa perustaman ElFys Oy:n palkkalistoille jatkamaan tutkimusta.
- 2022. Startup-yrittäjän väitöskirja ”High-sensitivity photodiodes using black silicon and induced junction” hyväksytään.
- 2023. Tekniikan akateemiset TEK ja Tekniska Föreningen i Finland TFiF palkitsevat Heinosen työn vuoden väitöskirjapalkinnolla.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Olisi kiva, jos saisi jollain tavalla jätettyä oman jälkensä ihmiskunnan tieteelliseen kehitykseen, saisi tekniikkaa edistettyä niin, että se parantaisi myös ihmisten elämää.
Suosikkileikkikalu?
Blender 3D-piirto-ohjelmisto. – Sillä on tullut leikittyä ja tehtyä kaikenlaista oudonnäköistä taidetta, muun muassa väitöskirjani kansikuva.
Lempiharrastus?
Frisbeegolf. – Mukava tekosyy lähteä metsään kävelylle pariksi tunniksi ja saada ajatukset aivan muualle.
Massatuotannon kynnyksellä
Vuonna 2022 ElFys Oy kertoi kuuden miljoonan riskirahoituksesta, pääsijoittajana elektroniikkajätti Samsungin sijoitusyhtiö. Nyt sijoituksen turvin käynnistetään säteilyilmaisimien teollista tuotantoa.
– Meillä on käynnissä massatuotannon ylösajo. Pian voimme tuottaa miljoonia komponentteja vuodessa, ElFysin projektipäällikkönä nyt työskentelevä Juha Heinonen kertoo.
Projektipäällikkö on sopivan geneerinen titteli startup-yrityksen pitkäaikaisimmalle työntekijälle. Väitöskirjakin valmistui siinä sivussa. Heinosen kädenjälki näkyy niin valmistusprosessin suunnittelussa, valmistuksessa kuin komponenttien testauksessa ja mittauksessa. Samalla hän on kirjoittanut tuloksista tieteellisiä artikkeleja väitöskirjaansa varten.
Heinonen kertoo, että väitöskirjan tekoon työn ohessa on suhtauduttu hyvin myötämielisesti, onhan monella muullakin ElFysin työntekijällä tutkijatausta. Korkean teknologian yritykselle tieteellisten julkaisujen teko on myös osa markkinointia.