Datorbaserade metoder blir ett allt kraftfullare verktyg i sökandet efter nya material för nyckelteknologier som solceller, batterier och dataöverföring. Prof. Dr. Caterina Cocchi och Holger-Dietrich Saßnick från universitetet i Oldenburg i Tyskland har nu utvecklat en automatiserad metod med hög genomströmning för att beräkna ytegenskaperna hos kristallina material med början direkt på nivån för etablerade fysiklagar (första principerna).
I en artikel publicerad i tidskriften npj Computational Materials rapporterar de att detta kan påskynda sökandet efter relevanta material för tillämpningar inom nyckelområden som energisektorn. De planerar också att kombinera metoden med artificiell intelligens och maskininlärningstekniker för att påskynda processen ytterligare.
Hittills har liknande metoder fokuserat på bulkmaterial snarare än ytor, förklarar de två fysikerna. "Alla relevanta processer för energiomvandling, produktion och lagring sker på ytor", säger Cocchi, som leder forskningsgruppen Teoretical Solid State Physics vid Oldenburgs universitet.
Men att beräkna ytornas materialegenskaper är mycket mer utmanande än för kompletta kristaller eftersom ytfasetterna ofta har en komplex struktur på grund av faktorer som defekter i kristallstrukturen eller ojämn tillväxt av en kristall, förklarar hon.
Denna komplexitet ställer till problem för forskare inom materialvetenskap:"Det är ofta inte möjligt att tydligt bestämma egenskaperna hos prover i experiment", säger Cocchi. Detta motiverade Cocchi och hennes kollega Saßnick att utveckla ett automatiserat förfarande för högkvalitativ screening av egenskaperna hos nya föreningar.
Resultatet av deras arbete införlivades i datorprogrammet aim2dat, som bara kräver den kemiska sammansättningen av en förening som input. Informationen om kristallens struktur extraheras från befintliga databaser. Programvaran beräknar sedan under vilka förhållanden ytan på materialet är kemiskt stabil.
I det andra steget bestämmer den nyckelegenskaper, i synnerhet energin som krävs för att excitera elektroner till ledningstillstånd eller frigöra sig från en yta. Denna parameter spelar en viktig roll i exempelvis material som omvandlar solenergi till elektricitet. "Vi gör inga antaganden i våra beräkningar; vi använder bara kvantmekanikens fundamentala ekvationer, vilket är anledningen till att våra resultat är mycket tillförlitliga", förklarar Cocchi.
De två forskarna visade användbarheten av metoden med hjälp av halvledaren cesiumtellurid. Kristallerna av detta material, som används som elektronkälla i partikelacceleratorer, kan förekomma i fyra olika former. "Kompositionen och kvaliteten på materialproverna är svåra att kontrollera i experiment", konstaterar Saßnick. Ändå kunde Oldenburg-forskarna utföra en detaljerad analys av de fysikaliska egenskaperna hos de olika konfigurationerna av cesiumtelluridkristallerna.
Cocchi och Saßnick har bäddat in programvaran i ett allmänt tillgängligt programbibliotek så att även andra forskare kan använda och förbättra proceduren. "Vår metod har stor potential som ett verktyg för att upptäcka nya material - och i synnerhet fysiskt och strukturellt komplexa fasta ämnen - för alla typer av tillämpningar inom energisektorn", säger Cocchi.
Mer information: Holger-Dietrich Saßnick et al, Automatiserad analys av ytfasetter:exemplet med cesiumtellurid, npj Computational Materials (2024). DOI:10.1038/s41524-024-01224-7
Tillhandahålls av University of Oldenburg
