KE 4/2018, teema, Herkällä optisella sensorilla on paljon sovelluskohteita

Teksti: Mikko Juntunen, toimitusjohtaja, EIFys Oy

Aalto-yliopiston tutkimusryhmässä on keksitty parempi tapa valmistaa äärimmäisen herkkä optinen sensori, valodiodi. Kaupallistamisvaiheessa olevaa keksintöä voidaan hyödyntää laajasti monilla aloilla.

Valodiodi on äärimmäisen herkkä ja näkee käytännössä jokaisen siihen osuvan fotonin 200–1000 nm aallonpituuskaistalla. Erityisen herkkä valodiodi on ultravioletille valolle, jota se näkee moninkertaisesti herkemmin kuin parhaat aiemmin saatavilla olleet detektorit. Tämä tarjoaa uusia mahdollisuuksia laajentaa spektroskopiaa ultravioletin puolelle. Tällöin voidaan mahdollisesti havaita sellaisia aineita tai kemiallisia prosesseja, joita nykyiset skannerit eivät havaitse.
Uusi detektori tarjoaa parannuksia myös esimerkiksi elintarvikkeiden vierasesineiden havaitsemiseen röntgenkuvauksessa. Herkemmällä detektorilla voidaan saavuttaa tarvittava tarkkuus selvästi pienemmällä määrällä säteilyä, jolloin skannerista voidaan tehdä pienempi ja energiataloudellisempi.

Sovelluskohteena etenkin aurinkokennot
Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulussa toimivan elektronifysiikan ryhmässä on jo vuosia tutkittu piin fysiikkaa. Tutkimuksen kohteena on ollut erityisesti aurinkokennojen herkkyyden parantaminen ja valmistuskustannusten alentaminen. Ryhmää johtaa professori Hele Savin, jonka maailman talousfoorumi (World Economic Forum) valitsi vuonna 2014 vuoden nuoreksi tutkijaksi. Vuonna 2017 hän sai eduskunnan ensimmäisen innovaatiopalkinnon (110 000 euroa) yleisen ja yhtäläisen äänioikeuden 110-vuotisjuhlan kunniaksi.
Vuonna 2013 ryhmä alkoi määrätietoisesti soveltaa aurinkokennotutkimuksessa kertynyttä osaamista myös valodiodeihin. TkT Mikko A. Juntunen liittyi ryhmään johtamaan Aalto-yliopiston osuutta EU-rahoitteisessa Newstar-detektoriprojektissa. Hänellä on laaja kokemus alalta muun muassa Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksesta CERNistä ja Detection Technology Oy:stä, joka kehittää ja valmistaa detektoreita teollisuuden, turvallisuusalan ja lääketieteelliseen kuvantamiseen.
Ryhmässä keksittiin pian täysin uusi tapa tehdä valodiodi. Jopa ryhmän jäsenet yllättyivät, miten hyvä diodista tuli heti ensimmäisessä valmistuksessa. Tulokset olivat niin hyviä, että voidaan turvallisesti sanoa detektorin olevan selvästi maailman paras. Teknologialle haettiin patentti kesäkuussa 2016, ja tulokset julkaistiin Nature Photonics -lehdessä marraskuussa 2016. Keksintöä kaupallistava yritys, ElFys Oy, perustettiin Tekesin rahoittaman Tutkimuksesta Uutta Liiketoimintaa (TUTL) -projektin jälkeen tutkijaryhmän voimin.

Nanorakenne imee kaiken valon
Erittäin herkän optisen sensorin pinnan musta nanorakenne imee kaiken siihen osuvan valon. Sensori itsessään ei ole nanokokoinen, vaan sen pinta on rakennettu heijastamattomaksi nanoteknologiassa käytettävillä menetelmillä. Pinnan heijastamattomuus perustuu niin sanottuun mustaan piihin, joka on valmistettu puolijohdeteollisuudessa tyypillisesti lähtömateriaalina käytetyn piikiekon pintaan.
Rakenne on mitoiltaan samaa suuruusluokkaa kuin optisen valon aallonpituus, jonka vuoksi valo ei piihin saapuessaan ”huomaa” mitään rajapintaa. Valon kohtaama taitekerroin muuttuu ilman selvää rajaa ilman taitekertoimesta piin taitekertoimeksi, eikä valo heijastu.
Heijastamaton musta pii ei tässä vaiheessa ollut keksintö. Uutta sen sijaan on se, miten pinta pystytään käsittelemään siten, että siihen osuvien fotonien vapauttamat elektronit piin sisällä saadaan talteen. Lisäksi saadaan talteen ultravioletin valon ionisoimat elektronit, jotka syntyvät ensimmäisten nanometrien matkalla heti fotonin tullessa piihin. Fotoneilla on taipumus palautua paikoilleen kiderakenteessa eli rekombinoitua. Ryhmän keksimä tapa passivoida pinnan rakenne huolehtii siitä, että niin ei tapahdu.

Markkina 10−15 miljardia euroa
Valoantureilla on käyttömahdollisuuksia todella monissa kohteissa kameroista röntgenkuvantamisen laitteisiin ja savuhälyttimistä satelliitteihin. Yllättävän monen laitteen pitää nähdä valoa tai pystyä tarkasti erottamaan valonmäärän vaihtelua. Näitä ovat muun muassa viivakoodiskannerit, tietoliikenteen kuituoptiset linkit, kamerat, liekinilmaisimet, happisaturaation mittarit, matkapuhelimen näytön kirkkauden säätö ja spektrometrit.
Ultraviolettialueen erinomainen herkkyys tarjoaa uusia mahdollisuuksia moniin sovelluksiin, koska herkkää ja kohtuuhintaista ultraviolettisensoria ei ole aiemmin ollut lainkaan saatavilla. Tämän sensorin ansiosta esimerkiksi ultraviolettia valoa lähettävän tai fluoresoivan organismin läsnäolo voidaan havaita murto-osan pitoisuuksina aiempaan verrattuna tai vastaavaan suorituskykyyn pystyvä mittalaite tehdä olennaisesti pienemmäksi, kevyemmäksi ja edullisemmaksi. Huikea herkkyys voi avata jopa kokonaan uusiakin sovellusalueita, joista ei vielä edes tiedetä.
ElFys Oy teki kesäkuussa sopimuksen Euroopan avaruusjärjestö ESAn kanssa mustan piin diodien testaamiseksi avaruussovellusten vaatimissa ympäristö- ja säteilyoloissa ja diodien toimittamiseksi järjestölle.
Maailmanlaajuisesti valoantureiden markkina on 10−15 miljardia euroa. Yritys etsii ja valikoi kehitysvaiheeseensa sopivia markkinasegmenttejä, joille erikoistua. Röntgenkuvantamisen markkinoilla avaus on jo tehty. Bio- ja elintarviketalouden puolelta löytynee monia sovelluksia, joissa uudesta detektorista voisi olla paljon hyötyä.