Onderzoekers van de Nagoya Universiteit in Japan hebben kunstmatige intelligentie gebruikt om een ​​nieuwe methode te ontdekken voor het begrijpen van kleine defecten, dislocaties genoemd, in polykristallijne materialen, materialen die veel worden gebruikt in informatieapparatuur, zonnecellen en elektronische apparaten, die de efficiëntie van dergelijke apparaten kunnen verminderen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

Bijna elk apparaat dat we in ons moderne leven gebruiken, heeft een polykristalcomponent. Van uw smartphone tot uw computer tot de metalen en keramiek in uw auto. Desondanks zijn polykristallijne materialen moeilijk te gebruiken vanwege hun complexe structuren. Naast hun samenstelling worden de prestaties van een polykristallijn materiaal beïnvloed door de complexe microstructuur, dislocaties en onzuiverheden.

Een groot probleem bij het gebruik van polykristallen in de industrie is de vorming van kleine kristaldefecten veroorzaakt door spanningen en temperatuurveranderingen. Deze staan ​​bekend als dislocaties en kunnen de reguliere rangschikking van atomen in het rooster verstoren, waardoor de elektrische geleiding en de algehele prestaties worden beïnvloed. Om de kans op storingen te verkleinen bij apparaten die polykristallijne materialen gebruiken, is het belangrijk om de vorming van deze dislocaties te begrijpen.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Nagoya, onder leiding van professor Noritaka Usami en onder meer docent Tatsuya Yokoi en universitair hoofddocent Hiroaki Kudo en medewerkers, gebruikte een nieuwe AI om beeldgegevens te analyseren van een materiaal dat veel wordt gebruikt in zonnepanelen, genaamd polykristallijn silicium. De AI creëerde een 3D-model in de virtuele ruimte, waardoor het team de gebieden kon identificeren waar dislocatieclusters de prestaties van het materiaal beïnvloedden.

Nadat ze de gebieden van de dislocatieclusters hadden geïdentificeerd, gebruikten de onderzoekers elektronenmicroscopie en theoretische berekeningen om te begrijpen hoe deze gebieden ontstonden. Ze onthulden de spanningsverdeling in het kristalrooster en vonden trapachtige structuren op de grenzen tussen de kristalkorrels. Deze structuren lijken dislocaties te veroorzaken tijdens kristalgroei. "We hebben een speciale nanostructuur gevonden in de kristallen die geassocieerd zijn met dislocaties in polykristallijne structuren", zei Usami.

Naast de praktische implicaties kan deze studie ook belangrijke implicaties hebben voor de wetenschap van kristalgroei en vervorming. Het Haasen-Alexander-Sumino (HAS) -model is een invloedrijk theoretisch raamwerk dat wordt gebruikt om het gedrag van dislocaties in materialen te begrijpen. Maar Usami gelooft dat ze dislocaties hebben ontdekt die het Haasen-Alexander-Sumino-model heeft gemist.

Een andere verrassing volgde kort daarna, want toen het team de rangschikking van de atomen in deze structuren berekende, ontdekten ze onverwacht grote spanningen in de trekverbindingen langs de rand van de trapachtige structuren die het ontstaan ​​van dislocaties veroorzaakten.

Zoals Usami uitlegt:“Als experts die dit al jaren bestuderen, waren we verbaasd en opgewonden toen we eindelijk bewijs zagen van de aanwezigheid van dislocaties in deze structuren. Het suggereert dat we de vorming van dislocatieclusters kunnen controleren door de richting in waar de grens zich uitbreidt."

"Door de gebieden op nanoschaal te extraheren en te analyseren via de informatica van polykristallijne materialen, die experiment, theorie en AI combineert, hebben we deze opheldering van verschijnselen in complexe polykristallijne materialen voor het eerst mogelijk gemaakt", vervolgde Usami.

“Dit onderzoek verlicht de weg naar het vaststellen van universele richtlijnen voor hoogwaardige materialen en zal naar verwachting bijdragen aan de creatie van innovatieve polykristallijne materialen. De potentiële impact van dit onderzoek reikt verder dan zonnecellen en omvat alles van keramiek tot halfgeleiders. Polykristallijne materialen worden op grote schaal gebruikt. in de samenleving, en de verbeterde prestaties van deze materialen hebben het potentieel om een ​​revolutie in de samenleving teweeg te brengen."

Meer informatie: Kenta Yamakoshi et al., Multikristallijne informatica toegepast op multikristallijn silicium voor het ontrafelen van de microscopische oorzaak van het ontstaan ​​van dislocaties, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202308599

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Nagoya Universiteit