Künstliche Intelligenz lüftet die Geheimnisse polykristalliner Materialien

Forscher der Universität Nagoya in Japan haben mithilfe künstlicher Intelligenz eine neue Methode zum Verständnis kleiner Defekte namens Versetzungen in polykristallinen Materialien entdeckt, Materialien, die häufig in Informationsgeräten, Solarzellen und elektronischen Geräten verwendet werden und die Effizienz solcher Geräte verringern können. Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Werkstoffe.

Fast jedes Gerät, das wir in unserem modernen Leben verwenden, enthält eine polykristalline Komponente. Von Ihrem Smartphone über Ihren Computer bis hin zu den Metallen und Keramiken in Ihrem Auto. Dennoch sind polykristalline Materialien aufgrund ihrer komplexen Strukturen schwer zu verwenden. Neben ihrer Zusammensetzung wird die Leistung eines polykristallinen Materials durch seine komplexe Mikrostruktur, Versetzungen und Verunreinigungen beeinflusst.

Ein großes Problem bei der Verwendung von Polykristallen in der Industrie ist die Bildung winziger Kristalldefekte, die durch Spannungen und Temperaturänderungen verursacht werden. Diese werden als Versetzungen bezeichnet und können die regelmäßige Anordnung der Atome im Gitter stören und so die elektrische Leitung und die Gesamtleistung beeinträchtigen. Um die Ausfallwahrscheinlichkeit von Geräten zu verringern, die polykristalline Materialien verwenden, ist es wichtig, die Entstehung dieser Versetzungen zu verstehen.

Ein Forscherteam der Universität Nagoya unter der Leitung von Professor Noritaka Usami, zu dem Dozent Tatsuya Yokoi und außerordentlicher Professor Hiroaki Kudo sowie Mitarbeiter gehörten, nutzte eine neue KI, um Bilddaten eines in Solarmodulen weit verbreiteten Materials namens polykristallines Silizium zu analysieren. Die KI erstellte ein 3D-Modell im virtuellen Raum und half dem Team dabei, die Bereiche zu identifizieren, in denen Versetzungscluster die Leistung des Materials beeinträchtigten.

Nachdem sie die Bereiche der Versetzungscluster identifiziert hatten, nutzten die Forscher Elektronenmikroskopie und theoretische Berechnungen, um zu verstehen, wie diese Bereiche entstanden. Sie deckten Spannungsverteilungen im Kristallgitter auf und fanden treppenartige Strukturen an den Grenzen zwischen den Kristallkörnern. Diese Strukturen scheinen während des Kristallwachstums Versetzungen zu verursachen. „Wir haben in den Kristallen eine spezielle Nanostruktur gefunden, die mit Versetzungen in polykristallinen Strukturen verbunden ist“, sagte Usami.

Neben ihren praktischen Implikationen könnte diese Studie auch wichtige Implikationen für die Wissenschaft des Kristallwachstums und der Kristallverformung haben. Das Haasen-Alexander-Sumino-Modell (HAS) ist ein einflussreicher theoretischer Rahmen, der zum Verständnis des Verhaltens von Versetzungen in Materialien verwendet wird. Aber Usami glaubt, dass sie Versetzungen entdeckt haben, die das Haasen-Alexander-Sumino-Modell übersehen hat.

Kurz darauf sollte eine weitere Überraschung folgen, denn als das Team die Anordnung der Atome in diesen Strukturen berechnete, fanden sie unerwartet große Zugbindungsspannungen entlang der Kante der treppenartigen Strukturen, die die Entstehung von Versetzungen auslösten.

Usami erklärte: „Als Experten, die dies seit Jahren untersuchen, waren wir erstaunt und aufgeregt, endlich Beweise für das Vorhandensein von Versetzungen in diesen Strukturen zu sehen. Dies legt nahe, dass wir die Bildung von Versetzungsclustern kontrollieren können, indem wir die Richtung steuern.“ was die Grenze ausdehnt.“

„Durch die Extraktion und Analyse der nanoskaligen Bereiche mithilfe der Informatik polykristalliner Materialien, die Experiment, Theorie und KI kombiniert, haben wir diese Aufklärung von Phänomenen in komplexen polykristallinen Materialien erstmals möglich gemacht“, fuhr Usami fort.

„Diese Forschung beleuchtet den Weg zur Festlegung universeller Richtlinien für Hochleistungsmaterialien und soll zur Schaffung innovativer polykristalliner Materialien beitragen. Die potenziellen Auswirkungen dieser Forschung gehen über Solarzellen hinaus auf alles von Keramik bis hin zu Halbleitern. Polykristalline Materialien werden häufig verwendet.“ in der Gesellschaft, und die verbesserte Leistung dieser Materialien hat das Potenzial, die Gesellschaft zu revolutionieren.“