Wetenschap
Nieuwe methode zorgt voor geautomatiseerde berekening van oppervlakte-eigenschappen in kristallen
Computergebaseerde methoden worden een steeds krachtiger hulpmiddel bij de zoektocht naar nieuwe materialen voor sleuteltechnologieën zoals fotovoltaïsche energie, batterijen en datatransmissie. Prof. Dr. Caterina Cocchi en Holger-Dietrich Saßnick van de Universiteit van Oldenburg in Duitsland hebben nu een geautomatiseerde methode met hoge doorvoer ontwikkeld om de oppervlakte-eigenschappen van kristallijne materialen te berekenen, beginnend direct op het niveau van gevestigde natuurwetten (eerste principes).
In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift npj Computational Materials melden zij dat dit de zoektocht naar relevante materialen voor toepassingen in sleutelgebieden zoals de energiesector kan versnellen. Ze zijn ook van plan de methode te combineren met kunstmatige intelligentie en machine learning-technieken om het proces verder te versnellen.
Tot nu toe hebben vergelijkbare methoden zich gericht op bulkmaterialen in plaats van op oppervlakken, leggen de twee natuurkundigen uit. "Alle relevante processen voor de omzetting, productie en opslag van energie vinden plaats op oppervlakken", zegt Cocchi, hoofd van de onderzoeksgroep Theoretische Vastestoffysica aan de Universiteit van Oldenburg.
Het berekenen van de materiaaleigenschappen van oppervlakken is echter veel uitdagender dan voor volledige kristallen, omdat de oppervlaktefacetten vaak een complexe structuur hebben als gevolg van factoren zoals defecten in de kristalstructuur of de ongelijkmatige groei van een kristal, legt ze uit.
Deze complexiteit levert problemen op voor onderzoekers op het gebied van de materiaalkunde:"Het is vaak niet mogelijk om de eigenschappen van monsters in experimenten duidelijk te bepalen", zegt Cocchi. Dit motiveerde Cocchi en haar collega Saßnick om een geautomatiseerde procedure te ontwikkelen voor hoogwaardige screening van de kenmerken van nieuwe verbindingen.
Betrouwbare resultaten
Het resultaat van hun werk werd verwerkt in het computerprogramma aim2dat, dat alleen de chemische samenstelling van een verbinding als input nodig heeft. De informatie over de structuur van het kristal wordt uit bestaande databases gehaald. De software berekent vervolgens onder welke omstandigheden het oppervlak van het materiaal chemisch stabiel is.
In de tweede stap worden de belangrijkste eigenschappen bepaald, met name de energie die nodig is om elektronen in geleidingstoestanden te brengen of zichzelf los te maken van een oppervlak. Deze parameter speelt een belangrijke rol bij materialen die bijvoorbeeld zonne-energie omzetten in elektriciteit. "We doen geen aannames in onze berekeningen; we gebruiken alleen de fundamentele vergelijkingen van de kwantummechanica, en daarom zijn onze resultaten zeer betrouwbaar", legt Cocchi uit.
De twee wetenschappers hebben de toepasbaarheid van de methode aangetoond met behulp van het halfgeleidercesiumtelluride. De kristallen van dit materiaal, die als elektronenbron in deeltjesversnellers worden gebruikt, kunnen in vier verschillende vormen voorkomen. "De samenstelling en kwaliteit van de materiaalmonsters zijn moeilijk te controleren in experimenten", merkt Saßnick op. Niettemin konden de Oldenburgse onderzoekers een gedetailleerde analyse uitvoeren van de fysische eigenschappen van de verschillende configuraties van de cesiumtelluridekristallen.
Cocchi en Saßnick hebben de software ingebed in een publiek toegankelijke programmabibliotheek, zodat andere onderzoekers de procedure ook kunnen gebruiken en verbeteren. "Onze methode heeft een groot potentieel als hulpmiddel voor het ontdekken van nieuwe materialen – en in het bijzonder fysiek en structureel complexe vaste stoffen – voor allerlei toepassingen in de energiesector", zegt Cocchi.