Radical Enhanced Atomic Layer Deposition of Metals and Oxides

Atomic Layer Deposition (ALD) is a chemical, gas-phase thin film deposition method. It is known for its ability for accurate and precise thickness control, and uniform and conformal film growth. One area where ALD has not yet excelled is film deposition at low temperatures. Also deposition of metals, besides the noble metals, has proven to be quite challenging. To alleviate these limitations, more aggressive reactants are required. One such group of reactants are radicals, which may be formed by dissociating gases. Dissociation is most conveniently done with a plasma source. For example, dissociating molecular oxygen or hydrogen, oxygen or hydrogen radicals are generated. The use of radicals in ALD may surmount some of the above limitations: oxide film deposition at low temperatures may become feasible if oxygen radicals are used as they are highly reactive. Also, as hydrogen radicals are very effective reducing agents, they may be used to deposit metals. In this work, a plasma source was incorporated in an existing ALD reactor for radical generation, and the reactor was used to study five different Radical Enhanced ALD processes. The modifications to the existing reactor and the different possibilities during the modification process are discussed. The studied materials include two metals, copper and silver, and three oxides, aluminium oxide, titanium dioxide and tantalum oxide. The materials were characterized and their properties were compared to other variations of the same process, utilizing the same metal precursor, to understand what kind of effect the non-metal precursor has on the film properties and growth characteristics. Both metals were deposited successfully, and silver for the first time by ALD. The films had low resistivity and grew conformally in the ALD mode, demonstrating that the REALD of metals is true ALD. The oxide films had exceptionally high growth rates, and aluminium oxide grew at room temperature with low cycle times and resulted in good quality films. Both aluminium oxide and titanium dioxide were deposited on natural fibres without damaging the fibre. Tantalum oxide was also deposited successfully, with good electrical properties, but at slightly higher temperature than the other two oxides, due to the evaporation temperature required by the metal precursor. Overall, the ability of REALD to deposit metallic and oxide films with high quality at low temperatures was demonstrated.

Kosteikkosedimentin fosforivarat ja niiden käyttökelpoisuus kasveille

Maatalouden ympäristötukiohjelmalla pyritään vähentämään maatalouden ravinnekuormitusta, sillä valtaosa fosforin hajakuormituksesta on peräisin maataloudesta. Maataloudesta peräisin olevan fosforin rehevöittävää vaikutusta vesistöissä voidaan pyrkiä vähentämään kosteikoilla, joiden päätarkoituksena on saada valumaveden mukana erodoitunut maa-aines sedimentoitumaan kosteikon pohjalle. Kosteikkojen toimivuudesta ja vesiensuojelun merkityksestä on kuitenkin Suomessa tehdyissä tutkimuksissa saatu ristiriitaisia tuloksia. Tämän työn tavoitteena on selvittää maa-analyysien avulla, mitä valuma-alueelta erodoitunut fosforille tapahtuu kosteikon sedimentissä ja kuinka hyvin sedimentoitunut aines soveltuu kasvualustaksi kasvintuotannossa. Valuma-alueen maanäytteitä ja kosteikon sedimenttinäytteitä vertailemalla havaittiin kosteikossa tapahtuvan erodoituneen maa-aineksen lajittumista. Kosteikosta otetussa sedimenttinäytteessä oli 48 % enemmän savesta kuin valumapellon muokkauskerroksen maanäytteissä. Lisäksi havaittiin, että savespitoisuuden lisääntyminen lisäsi sedimentin reaktiivista pinta-alaa, koska sedimentissä oli 45 % enemmän alumiini- ja rautahydroksideja kuin valuma-alueelta otetuissa maanäytteissä. Hydroksidien runsauden takia fosforin sorptiokapasiteetti oli sedimentissä 52 % suurepi kuin valuma-alueelta otetuissa näytteissä. Sedimenttinäytteiden fosforin sorptiokyllästysaste oli kuitenkin samansuuruinen verrattuna valuma-alueelta otettuihin näytteisiin, sillä hapettuneessa sedimentissä oli 50 % enemmän alumiini- ja rautahydroksidien sitomaa fosforia. Näytteenottohetkellä sedimentti oli pelkistyneessä tilassa, jolloin sen vesiuuttoisen fosforin määrä oli huomattavasti suurempi kuin hapettuneessa sedimentissä. Vastaavasti sedimentin hapettuessa fosforin sorptiokyky kasvoi huomattavasti, sillä pelkistyneestä sedimentistä desorboitui fosforia kosteikon veteen. Tämä havaittiin myös astiakokeessa, sillä sedimentissä kasvanut raiheinä kärsi voimakkaasta fosforin puutoksesta niillä lannoitustasoilla, joilla valuma-alueen maanäytteessä kasvaneella raiheinällä ei silmämääräisesti havaittu esiintyvän puutosoireita. Sedimentin toiselle sadolle annetulla kolminkertaisella fosforin lisälannoituksella saavutettiin samansuuruiset sadon kuiva-ainemäärät, fosforipitoisuudet ja fosforin otot kuin valuma-alueen maanäytteissä kasvaneella ensimmäisellä sadolla oli. Astiakokeen tulosten perusteella pelkistyneessä tilassa ollut sedimentti soveltuu heikosti kasvintuotannon kasvualustaksi suuren fosforisorptiokykynsä ansiosta. Parhaiten sedimentti soveltuisi runsaasti helppoliukoista fosforia sisältäville alueille, kuten karjan jalottelutarhan pohjamateriaaliksi, vähentämään ympäristöön kohdistuvaa fosforikuormitusta.

Analysis of forest soil chemistry and hydrology with a dynamic model ACIDIC.

In this study we analyze how the ion concentrations in forest soil solution are determined by hydrological and biogeochemical processes. A dynamic model ACIDIC was developed, including processes common to dynamic soil acidification models. The model treats up to eight interacting layers and simulates soil hydrology, transpiration, root water and nutrient uptake, cation exchange, dissolution and reactions of Al hydroxides in solution, and the formation of carbonic acid and its dissociation products. It includes also a possibility to a simultaneous use of preferential and matrix flow paths, enabling the throughfall water to enter the deeper soil layers in macropores without first reacting with the upper layers. Three different combinations of routing the throughfall water via macro- and micropores through the soil profile is presented. The large vertical gradient in the observed total charge was simulated succesfully. According to the simulations, gradient is mostly caused by differences in the intensity of water uptake, sulfate adsorption and organic anion retention at the various depths. The temporal variations in Ca and Mg concentrations were simulated fairly well in all soil layers. For H+, Al and K there were much more variation in the observed than in the simulated concentrations. Flow in macropores is a possible explanation for the apparent disequilibrium of the cation exchange for H+ and K, as the solution H+ and K concentrations have great vertical gradients in soil. The amount of exchangeable H+ increased in the O and E horizons and decreased in the Bs1 and Bs2 horizons, the net change in whole soil profile being a decrease. A large part of the decrease of the exchangeable H+ in the illuvial B horizon was caused by sulfate adsorption. The model produces soil water amounts and solution ion concentrations which are comparable to the measured values, and it can be used in both hydrological and chemical studies of soils.

Helsingin Östersundomin pienvesien kartoitus

The area of Östersundom (29,1 square kilometers) was attached to Helsinki in the beginning of the year 2009. Östersundom is formed mostly from the municipality of Sipoo, and partly from the city of Vantaa. Nowadays Östersundom is still quite rural, but city planning has already started, and there are plans to develop Östersundom into a district with 45 000 inhabitants. In this study, the headwaters, streams and small lakes of Östersundom were studied to produce information as a basis for city planning. There are six main streams and five small lakes in Östersundom. The main methodology used in this study was the examination of the physical and the chemical quality of the water. The hygienic quality of the water was also studied. It was also examined whether the waters are in their natural state, or have they been treated and transformed by man. In addition, other factors affecting the waters were examined. Geographical information data was produced as a result of this work. Östersundom is the main area looked at in this study, some factors are examined in the scope of the catchment areas. Water samples were collected in three sampling periods: 31.8 4.9.2009, 3. 4.2.2010, and 10. 14.4.2010. There were 20 sampling points in Östersundom (5 in small lakes, 15 in streams). In the winter sampling period, only six samples were collected, from which one was taken from a small lake. Field measurements associated with water sampling included water temperature, oxygen concentration, pH and electoral conductivity. Water samples were analyzed in the Laboratories of Physical Geography in the University of Helsinki for the following properties: total suspended solids (TSS), total dissolved substances (TDS), organic matter, alkalinity, colour, principal anions and cations and trace elements. Metropolilab analyzed the amount of faecal coliform bacteria in the samples. The waters in Östersundom can be divided to three classes according to water quality and other characteristics: the upper course of the streams, the lower course of the streams and the small lakes. The streams in their upper course are in general acidic, and their acid neutralization capacity is low. The proportion of the organic matter is high. Also the concentrations of aluminium and iron tend to be high. The streams in the lower course have acidity closer to neutral, and the buffering capacity is good. The amounts of TSS and TDS are high, and as a result, the concentrations of many ions and trace elements are high as well. Bacteria were detected at times in the streams of the lower course. Four of the five small lakes in Östersundom are humic and acidic. TSS and TDS concentrations tend to be low, but the proportion of organic matter is often high. There were no bacteria in the small lakes. The fifth small lake (Landbonlampi) differs from the others by its water colour, which is very clear. This lake is very acidic, and its buffering capacity is extremely low. Compared to the headwaters in Finland in general, the concentrations of many ions and trace elements are higher in Östersundom. On the other hand, the characteristics of water were different according to the classification upper course streams, lower course streams, and small lakes. Generally, the best water quality was observed in the stream of Gumbölenpuro and in the lakes Storträsk, Genaträsk, Hältingträsk and Landbonlampi. Several valuable waters in their natural state were discovered from the area. The most representative example is the stream of Östersundominpuro in its lower course, where the stream flows through a broad-leaf forest area. The small lakes of Östersundom, and the biggest stream Krapuoja, with its meandering channel, are also valuable in their natural state.

Onttojen puiden lahopuukovakuoriaiset — kolmen pyydystyypin vertailu

Vanhat ja ontot puut ovat tärkeä elinympäristö monelle lahopuusta riippuvaiselle eliölajille. Onttoihin puihin on erikoistunut suuri määrä myös vaarantuneita ja harvinaisia hyönteislajeja, jotka elävät puun onkalon seinämillä tai onkalon pohjalle kerääntyvässä orgaanisessa aineksessa, ns. mulmissa. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mikä kolmesta pyydystyypistä (ikkuna-, vuoka- ja kuoppapyydys) soveltuu parhaiten onttojen puiden lahopuukovakuoriaisten pyyntiin. Lisäksi tavoitteena oli kartoittaa hyönteisnäytteiden ensimmäiseen laboratoriokäsittelyyn vaadittua aikaa. Tutkimuksessa oli mukana vanhoja rungostaan onttoutuneita lehmuksia, tammia ja vaahteroita pääkaupunkiseudun puisto- ja kartanoalueilta. Puiden onkaloiden sisään aseteltiin ikkuna-, vuoka- ja kuoppapyydyksiä, kaksi kutakin tyyppiä ja ne tyhjennettiin kolmen viikon välein touko-heinäkuussa 2006. Pyydyksiä oli siis yhteensä 90 per pyyntijakso. Kun näytteistä eroteltiin halutut hyönteislahkot (mukaanlukien kovakuoriaiset) niiden käsittelyyn käytetty aika kirjattiin ylös. Aineistosta tunnistettiin yhteensä 3825 kovakuoriaisyksilöä ja 212 lajia, joista lahopuusta riippuvaisia oli yhteensä 3398 yksilöä ja 121 lajia. Ikkunapyydyksissä esiintyi yhteensä 1639 yksilöä ja 140 lajia, vuokapyydyksissä 1506 yksilöä ja 134 lajia, kuoppapyydyksissä 680 yksilöä ja 111 lajia. Näytteiden käsittelyaikojen keskiarvot olivat 48,3 minuuttia ikkunapyydykselle, 65,5 minuuttia vuokapyydykselle ja 34,1 kuoppapyydykselle. Lajistokoostumuksen huomioiva ?-diversiteetti erosi huomattavasti pyydysten välillä, se oli 36,5 % ikkuna- ja vuokapyydysten välillä, 13,1 % ikkuna- ja kuoppapyydysten välillä ja 14,2 % vuoka- ja kuoppapyydysten välillä. Ikkuna- ja vuokapyydysten välillä ei havaittu tilastollisesti merkitsevää eroa saproksyylilajien (p<0,05), -yksilöiden (p<0,05) tai käsittelyaikojen (p<0,05) keskiarvoissa. Ikkuna- ja vuokapyydyksillä saatiin keskimäärin selvästi enemmän saproksyylilajeja ja –yksilöitä kuoppapyydykseen verrattuna. Kuoppapyydyksellä saatiin kokonaisyksilömäärään verrattuna suhteellisesti vähemmän saproksyylejä (59 %) kuin ikkuna- (69 %) ja vuokapyydyksillä (71 %). Ikkunapyydykset olivat tehokkain pyydystyyppi vertailtaessa pyydysten keräämää saproksyyliyksilömäärää suhteessa aineiston käsittelyn vaatimaan aikaan. Tehokkuus (yksilöä minuutissa) ikkunapyydykselle oli 0,74, vuokapyydykselle 0,43 ja kuoppapyydykselle 0,21. Ikkunapyydyksiä ei ole aikaisemmin käytetty puun onkalon sisällä hyönteisiä pyydettäessä vaan ne ovat aikaisemmissa tutkimuksissa roikkuneet onkalon ulkopuolella. Ikkunapyydykset kuitenkin toimivat erinomaisesti myös onkaloiden sisällä. Ikkuna- sekä vuokapyydys toimivatkin selkeästi paremmin lahopuukovakuoriaisten pyynnissä verrattuna kuoppapyydykseen, jonka poisjättäminen olisi kuitenkin tuottanut huomattavasti lajiköyhemmän aineiston. Mahdollisimman monimuotoisen onttojen puiden lahopuukovakuoriaislajiston keräämiseksi tulisi käyttää ikkuna- tai vuokapyydyksiä yhdessä kuoppapyydysten kanssa.