Teksti Tuomas Lehtonen
Niko Heikkinen tutki väitöskirjatyössään ALD-ohutkalvojen mahdollisuuksia huokoisten katalyyttimateriaalien käyttöiän pidentämiseen. Kokeellisen ja mallinnustyön tuloksia voidaan tulevaisuudessa soveltaa myös muiden huokoisten materiaalien valmistukseen ja muokkaamiseen
Niko Heikkinen, 39, tutki väitöskirjassaan atomikerroskasvatuksen (Atomic layer deposition, ALD) hyödyntämistä ohutkalvojen valmistamisen menetelmänä. Hän keskittyi erityisesti huokoisten katalyyttimateriaalien muokkaamiseen.
Heikkisen väitöskirjatyössään kehittämää ALD diffuusio-reaktiomallia voidaan soveltaa useille erilaisille huokoisille materiaaleille.
Katalyyttien ohutkalvopinnoituksen lisäksi mallinnusmenetelmä soveltuu myös muiden huokoisten materiaalien, kuten kalvojen, polttokennokomponenttien ja kuitumateriaalien tuottamiseen.
Mikä on väitöskirjasi merkittävin tulos?
”Väitöskirjan aihe liittyi huokoisten katalyyttipartikkeleiden suojaamiseen atomikerroskasvatusohutkalvojen avulla. Merkittävimmät tulokset liittyivät mallinnustyöhön, missä osoitettiin osittaisdifferentiaaliyhtälöiden avulla, että atomikerroskasvatusprosessi on varsin erilainen erilaisilla partikkeligeometrioilla.
Muiden tutkimusryhmien kokeellisessa työssä on huomattu aiemmin, että pallomaisten partikkelien pinnoittaminen kuluttaa huomattavasti vähemmän lähtöainetta verrattuna levymäisiin partikkeleihin. Lähtöaineen kulumisen yhteyttä partikkelin muotoon ei ole aikaisemmin merkittävissä määrin julkaistu.
Väitöskirjani tuloksena esiteltiin diffuusio-reaktiomalli, joka voi ottaa huomioon erilaiset partikkeligeometriat.
Työ painottui relevantteihin katalyyttipartikkelien geometrioihin (sylinteri ja pallo). Vaikka kemisorptio- ja diffuusio-reaktiomallinnus sinällään on jo aikaisemmin varsin tunnettua, sovellettiin näitä mallinnusperiaatteita nimenomaan ALD prosessimallinnusta varten.
Mallinnustyön lisäksi väitöskirjassa tutkittiin kokeellisesti atomikerroskasvatuskalvon tunkeutumista huokoiseen katalyyttipartikkeliin. Tämä oli oleellista, jotta voitiin osoittaa diffuusioreaktiomallin toiminta.
Lisäksi kokeellisessa työssä pinnoitettiin suojaava alumiinioksidipinnoite Fischer-Tropsch-katalyyttipartikkeleille. Suojaava kalvo esti katalyytin aktiivisen metallin (koboltti) liukenemista ja pidensi katalyytin käyttöikää.”
”ALD on mielenkiintoinen tekniikka myös resurssitehokkuuden näkökulmasta.”
Miten tuloksiasi voi soveltaa?
”Väitöskirjassa tutkittiin heterogeenisten katalyyttien pinnoittamista ohutkalvoilla, mutta käyttökohteita erityisesti mallinnustyölle on melkoisesti.
Atomikerroskasvatus on erittäin monipuolinen ohutkalvojen valmistusmenetelmä, ja väitöskirjassa kehitettyä ALD diffuusio-reaktiomallia voidaan soveltaa useille erilaisille huokoisille materiaaleille.
Muita käyttökohteita saattaisivat olla esimerkiksi huokoiset kalvot, polttokennokomponentit, tai kuitumateriaalit. ALD menetelmällä voidaan muokata huokoisten materiaalien rakennetta ja esimerkiksi määrittää lisätyn materiaalin massaa ja tunkeumasyvyyttä tarkasti.
ALD on myös varsin mielenkiintoinen tekniikka resurssitehokkuuden näkökulmasta. Esimerkiksi polttokennokomponenttien suhteen ALD on yleistynyt Iridium-pinnoitteiden osalta, koska kallista Iridiumia voidaan ”kasvattaa” halutuille pinnoille vain tarvittu määrä ilman suurta materiaalihukkaa. Samaa lähestymistä voitaisi soveltaa tulevaisuudessa myös katalyyttimateriaaleille, missä kalliita metalleja voidaan lisätä vain tarvittu määrä.”
”VTT:n kollegoideni tuki on ollut huomattava, ja väitöskirjan tekemistä arvostetaan.”
Mitä väitöksen tekeminen merkitsi sinulle?
”Tein väitöskirjaa osa-aikaisena tohtoriopiskelijana Aalto-yliopistossa. Varsinainen työni on VTT:llä. Väitöksen tekeminen merkitsi minulle projektiluontoista uuden oppimista, missä tekemiselle on asetettu selvät raamit.
Työ VTT:llä on opettanut valtavasti tutkijan työstä, mutta mielestäni väitöskirjan tekeminen Aallossa on opettanut paljon asioita, joita pelkästään VTT:llä en olisi saanut.
VTT:n ja kollegoideni tuki on ollut myös huomattava ja väitöskirjan tekemistä arvostetaan kovasti. Tämä arvostus käsittääkseni tulee juuri siitä lähtökohdasta, että on hyvä nähdä asioita eri perspektiiveistä.
Yksi tärkeimmistä väitöskirjan tekemisen taidoista on tutkimuksen kirjallinen esittäminen. Omasta mielestäni olen väitöskirjaopintojen myötä kehittynyt huomattavasti paremmaksi kirjoittajaksi ja osaan myös jäsentää tutkimusta kirjalliseen muotoon huomattavasti paremmin. Nämä osa-alueet eivät tietysti voi ikinä olla liian vahvoja. Väitöskirjan tekeminen on kuitenkin antanut hyvät eväät oppimisen jatkamiseen.”
Mitä teet urallasi seuraavaksi?
”Jatkan työtäni VTT:llä katalyysitutkimuksen parissa. On mahtavaa pystyä jatkamaan väitöskirjan aihepiirissä myös opintojen valmistumisen jälkeen.
Väitöskirjan valmistuminen on ollut viime vuosina suurin tavoitteeni. Seuraavien tavoitteiden asettaminen on vielä kesken. Minua saattaisi tulevaisuudessa kiinnostaa muiden väitöskirjatöiden ohjaaminen, mikäli tällaiseen avautuu mahdollisuuksia.”
Mikä toimii parhaiten työsi vastavoimana?
”Vaimoni sekä 4- ja 6-vuotiaat tyttäreni pitävät huolen siitä, että kotiin tultuani irtaudun varmasti töistä. Heidän kanssaan aika kuluu valtavan nopeasti. Yritän myös välillä ehtiä pyöräilemään ja kuntosalille, mieluiten reilusti ennen aamukahdeksaa. Aamun tunnit ovat minulle parasta aikaa ja tarjoavat minulle mahdollisuuksia töistä irtautumiseen.”
DI Niko Heikkisen väitöskirja Porous media modification with atomic layer deposition: Catalyst performance protection with an inert coating on a Cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst tarkastettiin 17.6.2025 Aalto-yliopistossa. Vastaväittäjänä toimi professori J. Will Medlin yhdysvaltalaisesta University of Colorado Boulderrista ja kustoksena professori Riikka Puurunen Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulusta.
Lue lisää:
Uusi ALD-laitteisto auttaa ohutkalvoprosessien kehitystyössä
Ohutkalvonäyttöihin liittyvä tutkimus loi pohjan ALD:n menestykselle
