Investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón han utilizado inteligencia artificial para descubrir un nuevo método para comprender pequeños defectos llamados dislocaciones en materiales policristalinos, materiales ampliamente utilizados en equipos de información, células solares y dispositivos electrónicos, que pueden reducir la eficiencia de dichos dispositivos. Los hallazgos fueron publicados en la revista Advanced Materials. .
Casi todos los dispositivos que utilizamos en nuestra vida moderna tienen un componente de policristal. Desde su teléfono inteligente hasta su computadora y los metales y cerámicas de su automóvil. A pesar de esto, los materiales policristalinos son difíciles de utilizar debido a sus estructuras complejas. Además de su composición, el rendimiento de un material policristalino se ve afectado por su compleja microestructura, dislocaciones e impurezas.
Un problema importante al utilizar policristales en la industria es la formación de pequeños defectos cristalinos causados por el estrés y los cambios de temperatura. Éstas se conocen como dislocaciones y pueden alterar la disposición regular de los átomos en la red, afectando la conducción eléctrica y el rendimiento general. Para reducir las posibilidades de falla en dispositivos que utilizan materiales policristalinos, es importante comprender la formación de estas dislocaciones.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Nagoya, dirigido por el profesor Noritaka Usami e incluido el profesor Tatsuya Yokoi y el profesor asociado Hiroaki Kudo y colaboradores, utilizó una nueva IA para analizar datos de imágenes de un material ampliamente utilizado en paneles solares, llamado silicio policristalino. La IA creó un modelo 3D en el espacio virtual, lo que ayudó al equipo a identificar las áreas donde los grupos de dislocaciones estaban afectando el rendimiento del material.
Después de identificar las áreas de los grupos de dislocaciones, los investigadores utilizaron microscopía electrónica y cálculos teóricos para comprender cómo se formaron estas áreas. Revelaron la distribución de tensiones en la red cristalina y encontraron estructuras en forma de escaleras en los límites entre los granos cristalinos. Estas estructuras parecen causar dislocaciones durante el crecimiento de los cristales. "Encontramos una nanoestructura especial en los cristales asociada con dislocaciones en estructuras policristalinas", dijo Usami.
Además de sus implicaciones prácticas, este estudio también puede tener implicaciones importantes para la ciencia del crecimiento y la deformación de los cristales. El modelo Haasen-Alexander-Sumino (HAS) es un marco teórico influyente que se utiliza para comprender el comportamiento de las dislocaciones en materiales. Pero Usami cree que han descubierto dislocaciones que el modelo Haasen-Alexander-Sumino pasó por alto.
Poco después se produjo otra sorpresa, ya que cuando el equipo calculó la disposición de los átomos en estas estructuras, encontraron tensiones de enlace de tracción inesperadamente grandes a lo largo del borde de las estructuras en forma de escalera que desencadenaron la generación de dislocaciones.
Como explica Usami, "como expertos que hemos estado estudiando esto durante años, nos sorprendió y entusiasmó ver finalmente pruebas de la presencia de dislocaciones en estas estructuras. Esto sugiere que podemos controlar la formación de grupos de dislocaciones controlando la dirección en que se extiende la frontera."
"Al extraer y analizar las regiones a nanoescala a través de la informática de materiales policristalinos, que combina experimentación, teoría e inteligencia artificial, hicimos posible por primera vez esta aclaración de los fenómenos en materiales policristalinos complejos", continuó Usami.
"Esta investigación ilumina el camino hacia el establecimiento de directrices universales para materiales de alto rendimiento y se espera que contribuya a la creación de materiales policristalinos innovadores. El impacto potencial de esta investigación se extiende más allá de las células solares y abarca todo, desde cerámica hasta semiconductores. Los materiales policristalinos se utilizan ampliamente en la sociedad, y el rendimiento mejorado de estos materiales tiene el potencial de revolucionar la sociedad."
Más información: Kenta Yamakoshi et al, Informática multicristalina aplicada al silicio multicristalino para desentrañar la causa raíz microscópica de la generación de dislocaciones, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202308599
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por la Universidad de Nagoya
