Pesquisadores da Universidade de Nagoya, no Japão, usaram inteligência artificial para descobrir um novo método para compreender pequenos defeitos chamados deslocamentos em materiais policristalinos, materiais amplamente utilizados em equipamentos de informação, células solares e dispositivos eletrônicos, que podem reduzir a eficiência de tais dispositivos. As descobertas foram publicadas na revista Advanced Materials .



Quase todos os dispositivos que usamos em nossas vidas modernas possuem um componente policristalino. Do smartphone ao computador, aos metais e cerâmicas do seu carro. Apesar disso, os materiais policristalinos são difíceis de utilizar devido às suas estruturas complexas. Juntamente com a sua composição, o desempenho de um material policristalino é afetado pela sua microestrutura complexa, discordâncias e impurezas.

Um grande problema para o uso de policristais na indústria é a formação de pequenos defeitos cristalinos causados ​​por tensões e mudanças de temperatura. Estes são conhecidos como deslocamentos e podem perturbar o arranjo regular dos átomos na rede, afetando a condução elétrica e o desempenho geral. Para reduzir as chances de falha em dispositivos que utilizam materiais policristalinos, é importante compreender a formação desses deslocamentos.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Nagoya, liderada pelo professor Noritaka Usami e incluindo o professor Tatsuya Yokoi e o professor associado Hiroaki Kudo e colaboradores, usaram uma nova IA para analisar dados de imagem de um material amplamente utilizado em painéis solares, chamado silício policristalino. A IA criou um modelo 3D no espaço virtual, ajudando a equipe a identificar as áreas onde os aglomerados de deslocamento afetavam o desempenho do material.

Depois de identificar as áreas dos aglomerados de deslocamentos, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica e cálculos teóricos para entender como essas áreas se formaram. Eles revelaram a distribuição de tensões na rede cristalina e encontraram estruturas semelhantes a escadas nos limites entre os grãos cristalinos. Estas estruturas parecem causar deslocamentos durante o crescimento do cristal. “Encontramos uma nanoestrutura especial nos cristais associada a deslocamentos em estruturas policristalinas”, disse Usami.

Juntamente com suas implicações práticas, este estudo também pode ter implicações importantes para a ciência do crescimento e deformação de cristais. O modelo Haasen-Alexander-Sumino (HAS) é uma estrutura teórica influente usada para compreender o comportamento das discordâncias em materiais. Mas Usami acredita ter descoberto deslocamentos que o modelo Haasen-Alexander-Sumino não percebeu.

Outra surpresa veio logo depois, quando a equipe calculou o arranjo dos átomos nessas estruturas, eles encontraram tensões de ligação inesperadamente grandes ao longo da borda das estruturas em forma de escada que desencadearam a geração de deslocamentos.

Conforme explicado por Usami, "Como especialistas que estudam isso há anos, ficamos surpresos e entusiasmados ao finalmente ver a prova da presença de deslocamentos nessas estruturas. Isso sugere que podemos controlar a formação de aglomerados de deslocamentos controlando a direção em qual a fronteira se espalha."

“Ao extrair e analisar as regiões em nanoescala por meio da informática de materiais policristalinos, que combina experimento, teoria e IA, tornamos possível pela primeira vez esse esclarecimento de fenômenos em materiais policristalinos complexos”, continuou Usami.

"Esta pesquisa ilumina o caminho para o estabelecimento de diretrizes universais para materiais de alto desempenho e espera-se que contribua para a criação de materiais policristalinos inovadores. O impacto potencial desta pesquisa se estende além das células solares, abrangendo tudo, desde cerâmicas até semicondutores. Os materiais policristalinos são amplamente utilizados. na sociedade, e o melhor desempenho destes materiais tem o potencial de revolucionar a sociedade."

Mais informações: Kenta Yamakoshi et al, Informática Multicristalina Aplicada ao Silício Multicristalino para Desvendar a Causa Raiz Microscópica da Geração de Deslocamento, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202308599
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pela Universidade de Nagoya