28 mars 2024 (Actualités Nanowerk) Les propriétés de surface de matériaux cristallins complexes peuvent être calculées de manière fiable et automatique en utilisant uniquement les lois fondamentales de la physique, grâce à une nouvelle méthode informatique. Cette méthode pourrait accélérer la recherche de nouveaux matériaux pour des technologies importantes telles que le photovoltaïque, les batteries ou la transmission de données. Les méthodes assistées par ordinateur deviennent un outil de plus en plus puissant dans la recherche de nouveaux matériaux pour des technologies clés telles que le photovoltaïque, les batteries et la transmission de données. Le professeur Caterina Cocchi et Holger-Dietrich Saßnick de l'Institut de physique de l'Université d'Oldenburg ont développé une méthode automatisée à haut débit pour calculer les propriétés de surface des matériaux cristallins en commençant directement au niveau des lois établies de la physique (premiers principes). Dans un article publié dans la revue matériaux informatiques npj (« Analyse automatisée des facettes de surface : l'exemple du tellurure de césium »), ils indiquent que cela pourrait accélérer la recherche de matériaux pertinents pour des applications dans des domaines clés tels que le secteur de l'énergie. Ils prévoient également de combiner la méthode avec des techniques d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique pour accélérer encore le processus.
Sur la base d'une petite quantité d'informations de base sur la structure d'un cristal, le programme des chercheurs d'Oldenburg calcule les propriétés de nouveaux matériaux complexes. (Image : Université d'Oldenbourg / Groupe EST) Jusqu'à présent, des méthodes similaires se sont concentrées sur des matériaux massifs plutôt que sur des surfaces, expliquent les deux physiciens. "Tous les processus pertinents pour la conversion, la production et le stockage de l'énergie se produisent sur des surfaces", explique Cocchi, qui dirige le groupe de recherche en physique théorique du solide à l'université d'Oldenbourg. Cependant, calculer les propriétés matérielles des surfaces est beaucoup plus difficile que pour des cristaux complets, car les facettes de la surface ont souvent une structure complexe en raison de facteurs tels que des défauts dans la structure cristalline ou la croissance inégale d'un cristal, explique-t-elle. Cette complexité pose des problèmes aux chercheurs dans le domaine de la science des matériaux : « Il n'est souvent pas possible de déterminer clairement les propriétés des échantillons lors d'expériences », explique Cocchi. Cela a motivé Cocchi et son collègue Saßnick à développer une procédure automatisée pour le criblage de haute qualité des caractéristiques de nouveaux composés. Le résultat de leurs travaux a été intégré au programme informatique aim2dat, qui ne nécessite comme entrée que la composition chimique d’un composé. Les informations sur la structure du cristal sont extraites des bases de données existantes. Le logiciel calcule ensuite les conditions dans lesquelles la surface du matériau est chimiquement stable. Dans un deuxième temps, il détermine des propriétés clés, notamment l'énergie nécessaire pour exciter les électrons dans des états de conduction ou se détacher d'une surface. Ce paramètre joue un rôle important dans les matériaux qui convertissent l'énergie solaire en électricité par exemple. « Nous ne faisons aucune hypothèse dans nos calculs ; nous utilisons uniquement les équations fondamentales de la mécanique quantique, c'est pourquoi nos résultats sont très fiables », explique Cocchi. Les deux scientifiques ont démontré l’applicabilité de la méthode utilisant le tellurure de césium semi-conducteur. Les cristaux de ce matériau, utilisé comme source d’électrons dans les accélérateurs de particules, peuvent se présenter sous quatre formes différentes. «La composition et la qualité des échantillons de matériaux sont difficiles à contrôler expérimentalement», note Saßnick. Néanmoins, les chercheurs d’Oldenbourg ont pu effectuer une analyse détaillée des propriétés physiques des différentes configurations des cristaux de tellurure de césium. Cocchi et Saßnick ont intégré le logiciel dans une bibliothèque de programmes accessible au public afin que d'autres chercheurs puissent également utiliser et améliorer la procédure. «Notre méthode présente un grand potentiel en tant qu'outil de découverte de nouveaux matériaux – et en particulier de solides physiquement et structurellement complexes – pour toutes sortes d'applications dans le secteur de l'énergie», explique Cocchi.
Sur la base d'une petite quantité d'informations de base sur la structure d'un cristal, le programme des chercheurs d'Oldenburg calcule les propriétés de nouveaux matériaux complexes. (Image : Université d'Oldenbourg / Groupe EST) Jusqu'à présent, des méthodes similaires se sont concentrées sur des matériaux massifs plutôt que sur des surfaces, expliquent les deux physiciens. "Tous les processus pertinents pour la conversion, la production et le stockage de l'énergie se produisent sur des surfaces", explique Cocchi, qui dirige le groupe de recherche en physique théorique du solide à l'université d'Oldenbourg. Cependant, calculer les propriétés matérielles des surfaces est beaucoup plus difficile que pour des cristaux complets, car les facettes de la surface ont souvent une structure complexe en raison de facteurs tels que des défauts dans la structure cristalline ou la croissance inégale d'un cristal, explique-t-elle. Cette complexité pose des problèmes aux chercheurs dans le domaine de la science des matériaux : « Il n'est souvent pas possible de déterminer clairement les propriétés des échantillons lors d'expériences », explique Cocchi. Cela a motivé Cocchi et son collègue Saßnick à développer une procédure automatisée pour le criblage de haute qualité des caractéristiques de nouveaux composés. Le résultat de leurs travaux a été intégré au programme informatique aim2dat, qui ne nécessite comme entrée que la composition chimique d’un composé. Les informations sur la structure du cristal sont extraites des bases de données existantes. Le logiciel calcule ensuite les conditions dans lesquelles la surface du matériau est chimiquement stable. Dans un deuxième temps, il détermine des propriétés clés, notamment l'énergie nécessaire pour exciter les électrons dans des états de conduction ou se détacher d'une surface. Ce paramètre joue un rôle important dans les matériaux qui convertissent l'énergie solaire en électricité par exemple. « Nous ne faisons aucune hypothèse dans nos calculs ; nous utilisons uniquement les équations fondamentales de la mécanique quantique, c'est pourquoi nos résultats sont très fiables », explique Cocchi. Les deux scientifiques ont démontré l’applicabilité de la méthode utilisant le tellurure de césium semi-conducteur. Les cristaux de ce matériau, utilisé comme source d’électrons dans les accélérateurs de particules, peuvent se présenter sous quatre formes différentes. «La composition et la qualité des échantillons de matériaux sont difficiles à contrôler expérimentalement», note Saßnick. Néanmoins, les chercheurs d’Oldenbourg ont pu effectuer une analyse détaillée des propriétés physiques des différentes configurations des cristaux de tellurure de césium. Cocchi et Saßnick ont intégré le logiciel dans une bibliothèque de programmes accessible au public afin que d'autres chercheurs puissent également utiliser et améliorer la procédure. «Notre méthode présente un grand potentiel en tant qu'outil de découverte de nouveaux matériaux – et en particulier de solides physiquement et structurellement complexes – pour toutes sortes d'applications dans le secteur de l'énergie», explique Cocchi.
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