28. März 2024 (Nanowerk-Neuigkeiten) Die Oberflächeneigenschaften komplexer kristalliner Materialien lassen sich dank einer neuen computergestützten Methode zuverlässig und automatisch allein anhand der Grundgesetze der Physik berechnen. Die Methode könnte die Suche nach neuen Materialien für wichtige Technologien wie Photovoltaik, Batterien oder Datenübertragung beschleunigen. Bei der Suche nach neuen Materialien für Schlüsseltechnologien wie Photovoltaik, Batterien und Datenübertragung werden computergestützte Methoden immer leistungsfähiger. Prof. Dr. Caterina Cocchi und Holger-Dietrich Saßnick vom Institut für Physik der Universität Oldenburg haben nun eine automatisierte Hochdurchsatzmethode entwickelt, um die Oberflächeneigenschaften kristalliner Materialien direkt auf der Ebene etablierter Gesetze der Physik (erste Prinzipien) zu berechnen. In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel npj-Rechenmaterialien („Automatisierte Analyse von Oberflächenfacetten: Das Beispiel Cäsiumtellurid“) berichten sie, dass dies die Suche nach relevanten Materialien für Anwendungen in Schlüsselbereichen wie dem Energiesektor beschleunigen kann. Sie planen außerdem, die Methode mit Techniken der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens zu kombinieren, um den Prozess weiter zu beschleunigen.
Basierend auf wenigen Basisinformationen über die Struktur eines Kristalls berechnet das Oldenburger Forscherprogramm die Eigenschaften komplexer neuer Materialien. (Bild: Universität Oldenburg / EST-Gruppe) Bisher konzentrierten sich ähnliche Methoden eher auf Volumenmaterialien als auf Oberflächen, erklären die beiden Physiker. „Alle relevanten Prozesse zur Energieumwandlung, -erzeugung und -speicherung finden auf Oberflächen statt“, sagt Cocchi, der die Forschungsgruppe Theoretische Festkörperphysik an der Universität Oldenburg leitet. Allerdings sei die Berechnung der Materialeigenschaften von Oberflächen weitaus anspruchsvoller als bei vollständigen Kristallen, da die Oberflächenfacetten aufgrund von Faktoren wie Defekten in der Kristallstruktur oder dem ungleichmäßigen Wachstum eines Kristalls oft eine komplexe Struktur aufweisen, erklärt sie. Diese Komplexität stellt Forscher im Bereich der Materialwissenschaften vor Probleme: „Oft ist es nicht möglich, die Eigenschaften von Proben in Experimenten eindeutig zu bestimmen“, sagt Cocchi. Dies motivierte Cocchi und ihren Kollegen Saßnick, ein automatisiertes Verfahren für ein qualitativ hochwertiges Screening der Eigenschaften neuer Verbindungen zu entwickeln. Das Ergebnis ihrer Arbeit floss in das Computerprogramm „aim2dat“ ein, das lediglich die chemische Zusammensetzung einer Verbindung als Eingabe benötigt. Die Informationen über die Struktur des Kristalls werden aus vorhandenen Datenbanken extrahiert. Die Software berechnet dann die Bedingungen, unter denen die Oberfläche des Materials chemisch stabil ist. In einem zweiten Schritt bestimmt es wichtige Eigenschaften, insbesondere die Energie, die erforderlich ist, um Elektronen in Leitungszustände anzuregen oder sich von einer Oberfläche zu lösen. Dieser Parameter spielt beispielsweise bei Materialien, die Sonnenenergie in Strom umwandeln, eine wichtige Rolle. „Wir machen bei unseren Berechnungen keine Annahmen; Wir verwenden ausschließlich die Grundgleichungen der Quantenmechanik, weshalb unsere Ergebnisse sehr zuverlässig sind“, erklärt Cocchi. Die Anwendbarkeit der Methode demonstrierten die beiden Wissenschaftler anhand des Halbleiters Cäsiumtellurid. Die Kristalle dieses Materials, das als Elektronenquelle in Teilchenbeschleunigern verwendet wird, können in vier verschiedenen Formen auftreten. „Zusammensetzung und Qualität der Materialproben lassen sich experimentell nur schwer kontrollieren“, bemerkt Saßnick. Dennoch konnten die Oldenburger Forscher eine detaillierte Analyse der physikalischen Eigenschaften für die unterschiedlichen Konfigurationen der Cäsiumtellurid-Kristalle durchführen. Cocchi und Saßnick haben die Software in eine öffentlich zugängliche Programmbibliothek eingebettet, damit auch andere Forscher das Verfahren nutzen und verbessern können. „Unsere Methode hat großes Potenzial als Werkzeug zur Entdeckung neuer Materialien – und insbesondere physikalisch und strukturell komplexer Festkörper – für alle Arten von Anwendungen im Energiesektor“, sagt Cocchi.
Basierend auf wenigen Basisinformationen über die Struktur eines Kristalls berechnet das Oldenburger Forscherprogramm die Eigenschaften komplexer neuer Materialien. (Bild: Universität Oldenburg / EST-Gruppe) Bisher konzentrierten sich ähnliche Methoden eher auf Volumenmaterialien als auf Oberflächen, erklären die beiden Physiker. „Alle relevanten Prozesse zur Energieumwandlung, -erzeugung und -speicherung finden auf Oberflächen statt“, sagt Cocchi, der die Forschungsgruppe Theoretische Festkörperphysik an der Universität Oldenburg leitet. Allerdings sei die Berechnung der Materialeigenschaften von Oberflächen weitaus anspruchsvoller als bei vollständigen Kristallen, da die Oberflächenfacetten aufgrund von Faktoren wie Defekten in der Kristallstruktur oder dem ungleichmäßigen Wachstum eines Kristalls oft eine komplexe Struktur aufweisen, erklärt sie. Diese Komplexität stellt Forscher im Bereich der Materialwissenschaften vor Probleme: „Oft ist es nicht möglich, die Eigenschaften von Proben in Experimenten eindeutig zu bestimmen“, sagt Cocchi. Dies motivierte Cocchi und ihren Kollegen Saßnick, ein automatisiertes Verfahren für ein qualitativ hochwertiges Screening der Eigenschaften neuer Verbindungen zu entwickeln. Das Ergebnis ihrer Arbeit floss in das Computerprogramm „aim2dat“ ein, das lediglich die chemische Zusammensetzung einer Verbindung als Eingabe benötigt. Die Informationen über die Struktur des Kristalls werden aus vorhandenen Datenbanken extrahiert. Die Software berechnet dann die Bedingungen, unter denen die Oberfläche des Materials chemisch stabil ist. In einem zweiten Schritt bestimmt es wichtige Eigenschaften, insbesondere die Energie, die erforderlich ist, um Elektronen in Leitungszustände anzuregen oder sich von einer Oberfläche zu lösen. Dieser Parameter spielt beispielsweise bei Materialien, die Sonnenenergie in Strom umwandeln, eine wichtige Rolle. „Wir machen bei unseren Berechnungen keine Annahmen; Wir verwenden ausschließlich die Grundgleichungen der Quantenmechanik, weshalb unsere Ergebnisse sehr zuverlässig sind“, erklärt Cocchi. Die Anwendbarkeit der Methode demonstrierten die beiden Wissenschaftler anhand des Halbleiters Cäsiumtellurid. Die Kristalle dieses Materials, das als Elektronenquelle in Teilchenbeschleunigern verwendet wird, können in vier verschiedenen Formen auftreten. „Zusammensetzung und Qualität der Materialproben lassen sich experimentell nur schwer kontrollieren“, bemerkt Saßnick. Dennoch konnten die Oldenburger Forscher eine detaillierte Analyse der physikalischen Eigenschaften für die unterschiedlichen Konfigurationen der Cäsiumtellurid-Kristalle durchführen. Cocchi und Saßnick haben die Software in eine öffentlich zugängliche Programmbibliothek eingebettet, damit auch andere Forscher das Verfahren nutzen und verbessern können. „Unsere Methode hat großes Potenzial als Werkzeug zur Entdeckung neuer Materialien – und insbesondere physikalisch und strukturell komplexer Festkörper – für alle Arten von Anwendungen im Energiesektor“, sagt Cocchi.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
- PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
- PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
- Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64945.php
