VTT:n uusi TOF-SIMS-laite vahvistaa Suomen materiaalitutkimusta entisestään. Laitteella voidaan tutkia kiinteiden materiaalien pinnan koostumusta ja kestävyyttä esimerkiksi vetymoottoreissa, puolijohteissa tai fuusioreaktoreissa. Laitetta pääsevät hyödyntämään paitsi VTT:n ja sen kumppanien tutkijat myös yritysten tuotekehittäjät.

VTT on hankkinut Suomen ensimmäisen pintakemiallisen TOF-SIMS- analyysilaitteen. Materiaalitutkimuksessa sen ainutlaatuinen erityispiirre on kyky analysoida tutkittavan näytteen kaikki alkuaineet, mukaan lukien vety.

”Saamme laitteella arvokasta tietoa materiaaleista Suomen teollisuuden tuotekehityksen kannalta keskeisillä sovellusalueilla. Näkisin tämän Suomen kansallisen tason infrastruktuurina, ja ilman muuta tulemme tarjoamaan analyysejä myös yrityksille”, kertoo VTT:n johtava tutkija Jari Likonen.

Hän arvioi, että laite tuottaa mullistavia tuloksia. Sen merkityksestä kertoo, että millään muulla menetelmällä kuin TOF-SIMS-analyysillä ei saada kolmiulotteista ja täsmällistä tietoa materiaalinäytteen pinnan alkuaineiden koostumuksesta eikä voida havaita vetyä metallien mikrorakenteissa.

”Sovellusalueiden rajoitteena on oikeastaan vain mielikuvitus. Mikroelektroniikka näyttää olevan suurin käyttäjäryhmä, ja alan tutkijat ovat jo tuoneet näytteitä. Myös metallialaa varten on saatu näytteitä biokorroosion tutkimiseen. Muista sovellusalueista vetyteknologia on varmasti suuri, samoin litiumpohjaiset akut, sähköautolaturit, polttokennot ja fuusioreaktorit”, Likonen selostaa.

Yli miljoonan euron laite jatkaa VTT:n materiaalitutkimuksen modernisointia

Uutuus jatkaa VTT:n materiaalitutkimuksen laitteiston modernisointia Euroopan ja Pohjoismaiden kärkitasolle. Edeltävä vastaava hankinta oli viime vuoden lopussa käyttöön otettu plasma-FIB-pyyhkäisyelektronimikroskooppi.

Kalliit TOF-SIMS-laitteet ovat harvinaisia, eikä niitä ole koko maailmassa kuin joitakin satoja. VTT:lle hankittu saksalainen laite maksoi noin 1,3 miljoonaa euroa. Suomen Akatemia rahoitti investointikustannuksista noin 52 prosenttia ja loput VTT. Hankinnan takana oli kansallisen infrastruktuuriohjelman FIRI H2MIRI-konsortio, jossa ovat VTT:n lisäksi mukana Oulun ja Tampereen yliopistot.

”Konsortion eri osapuolten lisäksi tulemme tarjoamaan analyysejä palveluna. Laitteen käyttö ja tulosten analysointi kuitenkin vaativat asiantuntijan. VTT:llä on kuuden henkilön tiimi, jolla on vaadittava käyttökoulutus”, Jari Likonen kertoo.

Suurta hyötyä puolijohde-, metalli- ja vetyteknologiassa

Esimerkiksi puolijohde- ja mikroelektroniikassa TOF-SIMS-laitteen hyödyt ovat ilmeisiä. Niiden materiaalikerrosten eri alkuaineiden syvyysjakautumat ja määrät täytyy tietää erittäin tarkasti, koska ne vaikuttavat sähköisiin ominaisuuksiin. Likosen mukaan tarkka määrittely ei onnistu oikein muulla tekniikalla kuin TOF-SIMS-analyysillä.

Myös metallituotteiden pinnoitteet vaativat tutkimuksia, koska epäpuhtaudet voivat lyhentää elinikää. Esimerkiksi poranterät kuluvat nopeammin, jos kestävyyden lisäämiseen tarkoitettu erikoispinnoite ei pysy kunnolla kiinni poranterässä.

Suomessa suuren kaupallisen kiinnostuksen kohteena oleva vihreän vedyn tuotantoteknologia vaatii analyysejä, koska vety aiheuttaa materiaalien haurastumista.

”Vedyn kerääntyminen metalliin voi vaikuttaa merkittävästi esimerkiksi koneen tai moottorin elinikään. Moottoreita ei voida valmistaa ennen kuin on tutkittu, millainen on valmistusmateriaalien korroosion kestävyys”, Likonen sanoo.

Hän koordinoi Englannissa sijaitsevan JET-fuusioreaktorin seinämämateriaalin tutkimusta, joka myös tarvitsee TOF-SIMS-tutkimuksia Otaniemen uudella laitteella. Reaktorien energianlähteenä käytetään vetyä, ja pintamateriaalien pitää kestää valtavaa kuumuutta, vaikka vetyplasma pidetään siitä erossa magneettien avulla.

Ionien lentoaika paljastaa materiaalien tarkan koostumuksen

Laitteen nimi kertoo toimintaperiaatteesta. Nimen alussa lyhenne TOF tulee englannin sanoista "Time-of-Flight". SIMS taas tarkoittaa sekundääristä ionimassaspektrometriä (secondary ion mass spectrometre).

”Laitteella kirjaimellisesti mitataan kunkin ionin lentoaikaa tyhjiössä. Tämän perusteella ohjelmisto selvittää ionien massan ja varauksen perusteella täsmällisen alkuainekoostumuksen”, Jari Likonen kertoo.