Teksti Kemia-lehti, kuvat Mikko Suutarinen, Maarja Kotkas ja haastateltavien kotialbumit
Heta-Elisa Nieminen ja Ilia Sokolovskii voittivat jaetun Gust. Kompan palkinnon vuoden 2024 kemian väitöskirjoistaan. Molemmat edustavat erittäin korkeaa tieteellistä tasoa. You can read the award justifications in English at the end of the article.
Gust. Kompan kilpailuun osallistui yhteensä 11 väitöskirjaa, joita eri yliopistot ehdottivat palkinnon voittajiksi. Valintalautakunnan mukaan kaikki ovat laadukkaita ja mielenkiintoisia väitöskirjatöitä.
Työt edustivat laajasti kemian tutkimusta sekä sen yhteyttä yhteiskunnallisiin haasteisiin ja tarpeisiin.
Helsingin yliopistossa väitelleen Niemisen ja Jyväskylän yliopistossa väitelleen Sokolovskiin työt edustavat erittäin korkeaa tieteellistä tasoa, ja ne koostuvat useista oman alansa edustavista, korkean vaikuttavuuden tutkimusartikkeleista.
Töissä heijastuu erittäin syvällinen menetelmäosaaminen joko kokeellisen tutkimusmenetelmän kehittämisessä tai teoreettisen kemian simulaatiomenetelmien kehittämisessä.
Näiden tuloksena töissä on suora yhteys tutkittavien kemiallisten kohteiden kehittämiseen, tuottamiseen ja analysointiin.
Palkittavaksi valikoitujen tutkimusten aihepiirit vahvistavat erityisesti näkemystä kemian perustutkimuksen merkityksestä tulevaisuuden sovellusten pohjana.
”Olen jatkuvasti hämmästynyt siitä, kuinka monimutkaisia rakenteita ALD:n avulla valmistetaan.”
Palkitun Heta-Elisa Niemisen väitöskirjaan voit tutustua täällä: Reaction mechanism studies on atomic layer deposition processes.
Kemia-lehti haastatteli Niemistä kysymys-vastaus-menetelmällä.
1. Mikä oli ensireaktiosi, kun kuulit palkinnosta? Miltä tuntui?
Olin todella iloisesti yllättynyt! En ajatellut, että saisin tällaisen palkinnon.
Sain itse tietää palkinnosta ennakolta. En kuitenkaan kertonut asiasta edes omille porukoille etukäteen, vaan tieto pysyi luottamuksellisena. Kerroin viestillä palkinnon saamisen jälkeen.
2. Miten ja miksi olit valinnut väitöksesi aiheen ja näkökulman?
Jatko-opintojeni aihe taisi olla jollain tasolla mietittynä tutkimusryhmämme professorien toimesta jo ennen kuin aloitin. Kun sitten aloin koostaa väitöskirjaani, huomasin tutkineeni melko monipuolisesti eri materiaaleja, jotka muodostuvat eri reaktioiden tuloksena.
Silloin ajattelin, että haluan koostaa kirjaani ALD:ssa tunnetut pintareaktiot. Halusin esitellä nimenomaan ne reaktiot, jotka on todistettu tapahtuvaksi eli prosessit, joiden reaktiomekanismeja on tutkittu.
Väitöskirjani toisessa osuudessa esittelin, millaisilla laitteistoilla muut tutkijat maailmassa tekevät reaktiomekanismitutkimuksia. Aihe oli relevantti omien julkaisujeni kannalta, koska osa väitöskirjatyötäni oli ottaa käyttöön uusia laitteistoja niin meidän laboratoriossamme Helsingissä kuin biimilinjalla MAX-IV synkrotronilla Ruotsissa.
Toki uusien laitteistojen testaus ja käyttöön otto oli aina ryhmätyötä. Missään nimessä en tehnyt näitä töitä yksin.
3. Mikä ALD:ssä erityisesti innostaa sinua?
ALD:stä erityisen mielenkiintoista tekee tekniikan mahdollistamat käytännön sovellukset. Ehkä tärkein ALD:n sovelluskohde on mikrosirujen valmistus. Kun halutaan mahdollisimman tehokkaita ja nopeita tietokoneita, muun muassa transistoreja mahdutetaan 300 mm piikiekolle valtavasti. ALD on ainoa tekniikka, jolla rakenteiden tekeminen on mahdollista.
Olen jatkuvasti hämmästynyt siitä, kuinka monimutkaisia rakenteita ALD:n avulla valmistetaan. Ja vieläpä virheittä mittakaavassa, jota on vaikea käsittää.
Kemistin kannalta hienoa ja innostavaa on, että jokainen sovellus perustuu pinnoilla tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin.
4. Mitkä seikat vaativat edelleen tutkimusta aihepiirissäsi?
Avain uusien prosessien kehittämiseen on ymmärrys siitä, mitä ohutkalvon pinnalla tapahtuu. Siksi eri prosessien reaktiomekanismit vaativat vielä tutkimista.
Väitöskirjatyöni aikana melkein jokaisesta tutkimastamme reaktiomekanismeista paljastui uusia yksityiskohtia, vaikka kuvittelimme joissain tapauksissa mekanismin olevan selkeä tai jo tutkittu.
Uskon, että erityisesti Helsinkiin saamamme uuden laitteiston kanssa reaktiomekanismitutkimuksissa on vasta päästy alkuun.
5. Miten jatkat tieteellistä työtäsi?
Jatkoin post doc -tutkijana HelsinkiALD -ryhmässä noin puolitoista vuotta väitökseni jälkeen. Käytännössä jatkoin siitä, mihin väitöskirjassani jäin. Hiljattain olen vaihtanut työpaikkaa ASM Microchemistry -yritykseen. Työskentelen tutkimus- ja kehitysosastolla ALD:n parissa.
Nykyisessä työssäni käytän ja sovellan kaikkea yliopistolla oppimaani. Samalla opin uutta, kun näkökulma vaihtui akateemisesta maailmasta teollisuuteen.
ASM Microchemistry ja HelsinkiALD myös tekevät tiivistä yhteistyötä, sillä käytämme osittain samoja analyysilaitteita. Monia projekteja tehdään yhteistyössä. Siispä tieteellinen työni ALD:n parissa jatkuu.
Valintalautakunnan perustelut
Heta-Elisa Niemisen väitöskirjassa Reaction mechanism studies on atomic layer deposition processes tavoitteena oli kokeellisesti selvittää, millaisia kemiallisia reaktioita ja miten niitä voidaan ohjailla kasvatuspinnalla atomikerroskasvatuksen (ALD) -prosessin eri vaiheissa.
Väitöskirjan ensimmäinen osa kuvaa yleisesti ALD-prosessien aikana tapahtuvia yleisimpiä pintareaktioita, kun käytetään joko metalli- tai epämetallilähtöainepulsseja atomikerrosten kasvatukseen.
Väitöskirjan toisessa osassa syvennytään erilaisiin analyysimenetelmiin, joita on käytetty ALD-prosessien reaktiomekanismitutkimuksissa.
Väitöskirja sisältää kuusi artikkelia, jotka keskittyvät yhteensä kahdeksaan ALD-prosessien mekanismitutkimuksiin. Tutkitut prosessit vaihtelevat metalleista (Co3Sn2, Ni3Sn2, Au, Pt ja Ru) eristäviin materiaaleihin (AlF3, TiO2 ja Al2O3).
Väitöskirjan tieteellistä antia ovat erityisesti uusien mittausmenetelmien soveltaminen ALD-prosessien tutkimukseen.
Kaupallisen ALD-reaktorin yhdistäminen korkean vakuumin analyysilaitteistoon mahdollistaa ohutkalvon pinnan tutkimuksen monipuolisesti eri mittaustekniikoilla. Menetelmäkehitystä on myös ALD-reaktiokammion sekä sen kaasunsyötön rakentaminen SPECIES-säteilylinjalla MAX IV -hiukkaskiihdyttimellä Lundissa, Ruotsissa.
Röntgenfotoelektronispektroskopian (XPS) soveltaminen mahdollistaa ohutkalvokasvatuksessa kalvon pinnalla tapahtuvien reaktioiden, niiden välituotteiden ja jo kasvatetun kalvon syvemmällä olevien kerrosten roolin pintareaktioiden etenemisessä.
Oikeiden reaktioiden löytämisen tärkeys kiinnostuksen kohteena oleville materiaaleille ja materiaaliyhdistelmille korostuu entisestään, kun laiterakenteiden kalvot lähestyvät paksuuksia, jotka saavutetaan vain muutamalla ALD-syklillä.
Perusteellinen kemian tuntemus on tarpeellinen ja tehokas työkalu koko ALD-alan kehittymiselle.
”Working in molecular polaritonics continually satisfies my scientific curiosity.”
You find Ilia Sokolovskii’s dissertation here: Multiscale molecular dynamics simulations of enhanced excitation energy transport in organic microcavities.
Read our Q&A to learn more about Ilia’s thoughts on his win and his research:
1. What was your first reaction when you heard about the award? What did your friends and relatives think?
It was a bit of a surprise for me, as I didn’t even know that my dissertation was nominated for the award. But it was definitely a pleasant surprise. Not every day does one receive such a prestigious award (it was in fact the first time I got a scientific prize).
Besides, receiving this award means that it was not only my PhD opponent and reviewers who read my dissertation and found it interesting, but also the review board did. This brings additional value to my work and surely motivates me for future scientific endeavors.
I don’t know if my family was as surprised as me, but I know for sure that they were happy. I think we are going to celebrate next time we meet.
2. How and why did you choose the topic and perspective of your dissertation?
Initially, I was supposed to work on a different project, but when I joined the group of Professsor Gerrit Groenhof in the University of Jyväskylä, it turned out that some other people had just published what we were only just about to begin.
We had to think about another project, and then we realised that there were a bunch of experiments on socalled cavity-modified energy transfer in organic molecules, which lacked a clear fundamental explanation.
We thought we could try to provide such an explanation with our computational model, and this is how my PhD project started.
Although we were primarily driven by purely theoretical interest in this fascinating project, it also has potential for real-world applications in optoelectronics, and I believe that the contribution we made to the field makes this potential a little more optimistic.
3. What is particularly fascinating in this field of science to you?
The most captivating thing about the field of molecular polaritonics is that it combines multiple different research fields and brings together scientists from (sometimes very) different areas, such as organic chemistry, quantum electrodynamics, material science, and computational chemistry, to name a few.
Working in this field allows me to broaden my knowledge in these areas, learn something new almost every day, and continuously satisfy my scientific curiosity, which I think is a primary goal of a researcher.
4. What aspects still require further research in this field?
Molecular polaritonics is a young field with plenty of potential applications in optoelectronics, laser technologies, quantum computing, information transfer, etc.
While the concept of cavity-modified energy transfer is currently well understood, there are still lots of blank spaces in the field and plenty of questions to answer, both on the fundamental level and from a practical point of view.
5. How will you continue your scientific work?
I am currently a postdoctoral researcher at the University College London, still working on molecular polaritonics. My longer-term future is somewhat uncertain. I enjoy working in academia and would love to get a permanent position as some university one day.
However, given the harsh competition for tenure-track positions, I keep in mind that I might have to leave academia and pursue research in industry, or perhaps find some other vocation than research. Anyway, I prefer to look to the future optimistically.
Valintalautakunnan perustelut
Ilia Sokolevskiin väitöskirjassa Multiscale molecular dynamics simulations of enhanced excitation energy transport in organic microcavities kehitettiin monitasoista molekyylidynamiikkamallia, jossa molekyylejä ja niiden kemiallista ympäristöä mallinnetaan käyttäen kvantti- ja molekyylimekaniikan yhdistelmää.
Tutkimuksen haasteena oli erityisesti ymmärtää, miksi orgaanisissa aurinkokennomateriaaleissa energian kuljetus on hitaampaa kuin epäorgaanisissa materiaaleissa.
Rakenteellinen epäjärjestys vaikuttaa vierekkäisten molekyylipaikkojen välillä viritysten kantajiin ja siten energian siirtymiseen materiaalissa.
Käytännön ratkaisuna tähän on esitetty molekulaaristen viritysten sekoittamista optisten kaviteettien rajoitettujen valomoodien kanssa, jolloin nämä kaksi osatekijää hybridisoituvat polaritoneiksi kutsutuiksi kvasihiukkasiksi, joilla on sekä molekyyliviritysten että kaviteetin valomoodien ominaisuudet.
Väitöskirjatyössä hyödynnetään QM/MM simulaatioita, joiden avulla on pystytty esittämään yleisen mekanismin kaviteetin tehostamalle kuljetukselle.
Lisäksi tutkimus osoittaa, miten energian kuljetus muuttuu riippuen polaritonien dispersiosta ja kaviteetin laatukertoimesta, ts. kuinka tehokkaasti resonoiva kaviteetti varastoi energiaa verrattuna siihen, kuinka paljon energiaa se menettää ajan myötä.
Tutkimusten perusteella voidaan esittää käytännöllistä keinoa tehokkaaseen viritysenergian kuljetukseen fotokemiallisen reaktion avulla.
On nähtävissä, että tässä väitöskirjassa esitetyt näkemykset tasoittavat tietä kohti molekyyli-kaviteettisysteemien rationaalista suunnittelua koherenttia ja tehokasta eksitonikuljetusta varten.
”Both dissertations represent a very high scientific level.”
Gust. Komppa Prize for best Doctoral Dissertation 2025
The Gust. Komppa Prize Selection Committee has made its nomination for the best doctoral dissertation in chemistry in 2024. A total of 11 proposals for the award were received from universities, all of which represented high-quality and interesting doctoral theses. The works broadly represented chemical research and its connection to societal challenges and needs.
The evaluation was based on the scientific merit of the doctoral theses, the breadth of the research and related methodological expertise, the focus of the narrative of scientific knowledge, the potential scientific impact of the works, the role of the researcher’s own work in the implementation of the work, and the visuality and readability of the doctoral theses.
The selection committee proposes that the Gust. Komppa Prize in 2025 be shared between Ph.D. Heta-Elisa Nieminen from the University of Helsinki, and Ph.D. Ilia Sokolovskii from the University of Jyväskylä.
Heta-Elisa Nieminen
Her doctoral dissertation Reaction mechanism studies on atomic layer deposition processes aims to experimentally investigate what kind of chemical reactions and how they can be controlled on the growth surface in the different stages of the atomic layer deposition (ALD) process. The first part of the dissertation describes in general terms the most common surface reactions that occur during ALD processes, when either metal or non-metal precursor pulses are used to grow atomic layers. The second part of the dissertation delves into various analysis methods that have been used in reaction mechanism studies of ALD processes. The dissertation contains six articles focusing on a total of eight mechanistic studies of different ALD processes. The studied processes range from metals (Co3Sn2, Ni3Sn2, Au, Pt and Ru) to insulating materials (AlF3, TiO2 and Al2O3).
The scientific contribution of the dissertation is especially the application of new measurement methods to the study of ALD processes. Combining a commercial ALD reactor with a high-vacuum analysis equipment enables the study of the thin film surface in a versatile way using different measurement techniques. Method development also includes the construction of an ALD reaction chamber and its gas supply at the SPECIES beamline at the MAX IV particle accelerator in Lund, Sweden.
The application of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in thin film growth enables the role of surface reactions, their intermediates, and the deeper layers of the already grown film in the progression of surface reactions. The importance of finding the right reactions for the materials and material combinations of interest is further emphasized as the films of device structures approach thicknesses that can be achieved with only a few ALD cycles. A thorough knowledge of chemistry is a necessary and effective tool for the development of the entire ALD field.
Ilia Sokolovskii
His doctoral dissertation Multiscale molecular dynamics simulations of enhanced excitation energy transport in organic microcavities focuses on development of multiscale molecular dynamics model, in which molecules and their chemical environment are modeled using a combination of quantum and molecular mechanics. The research challenge was specifically to understand why energy transport in organic solar cell materials is slower than in inorganic materials. Structural disorder affects the excitation carriers between adjacent molecular sites and thus the energy transfer in the material. A practical solution to this has been proposed to mix molecular excitations with confined light modes in optical cavities, whereby these two components hybridize into quasiparticles called polaritons, which have properties of both molecular excitations and cavity light modes.
The dissertation utilizes QM/MM simulations to present a general mechanism for cavity-enhanced transport. The research also shows how energy transport changes depending on the polariton dispersion and the cavity quality factor, i.e. how efficiently the resonant cavity stores energy compared to how much energy it loses over time.
Based on the studies, a practical means for efficient excitation energy transport via a photochemical reaction can be proposed. It is seen that the insights presented in this dissertation pave the way towards the rational design of molecular-cavity systems for coherent and efficient exciton transport.
Both dissertations represent a very high scientific level, and they consist of several research articles of high impact, representative of their own field. In addition, the selection committee was very pleased that the works reflect very deep methodological expertise, either in the development of experimental research methods or in the development of simulation methods in theoretical chemistry. As a result, the works have a direct connection to the development, production and analysis of the chemical targets under study. The topics of the research selected for the award particularly strengthen the view of the importance of basic chemical research as the basis for future applications.
Lue myös:
Gust. Kompan palkinto kahdelle väitöstyölle 2024 – ”Tuntuu hienolta saada laajempaakin arvostusta”
Gust. Kompan palkinnolla kaksi voittajaa 2023 – ”Tuntuu kirsikalta kakun päällä”
