日本名古屋大学的研究人员利用人工智能发现了一种新方法，用于理解多晶材料中称为位错的小缺陷，多晶材料广泛用于信息设备、太阳能电池和电子设备，可以降低此类设备的效率。研究结果发布在《先进材料》杂志上。
我们在现代生活中使用的几乎每个设备都有一个多晶组件。从智能手机到电脑，再到汽车中的金属和陶瓷。尽管如此，多晶材料由于其复杂的结构而难以利用。除了它们的成分外，多晶材料的性能还受到其复杂的微观结构、位错和杂质的影响。
在工业中使用多晶的一个主要问题是形成由应力和温度变化引起的微小晶体缺陷。这些被称为位错，会破坏晶格中原子的规律排列，影响导电和整体性能。为了减少使用多晶材料的器件发生故障的机会，了解这些位错的形成非常重要。
名古屋大学的一个研究小组，由Noritaka Usami教授领导，包括讲师Tatsuya Yokoi和Hiroaki Kudo副教授及其合作者，使用一种新的人工智能来分析太阳能电池板中广泛使用的材料的图像数据，称为多晶硅。人工智能在虚拟空间中创建了一个3D模型，帮助团队识别位错簇影响材料性能的区域。
在确定了位错簇的区域后，研究人员使用电子显微镜和理论计算来了解这些区域是如何形成的。他们揭示了晶格中的应力分布，并在晶粒之间的边界处发现了阶梯状结构。这些结构似乎在晶体生长过程中引起位错。“我们在晶体中发现了一种特殊的纳米结构，与多晶结构中的位错有关，”宇佐美说。
除了其实际意义外，这项研究还可能对晶体生长和变形科学产生重要影响。Haasen-Alexander-Sumino模型是一个有影响力的理论框架，用于理解材料中位错的行为。但宇佐美认为，他们已经发现了哈森-亚历山大-苏米诺模型遗漏的错位。
不久之后，另一个惊喜随之而来，因为当研究小组计算这些结构中原子的排列时，他们发现沿着阶梯状结构的边缘出现了意想不到的大拉伸键应变，从而引发了位错的产生。
正如 Usami 所解释的那样，“作为多年来一直在研究这个问题的专家，我们感到惊讶和兴奋的是，我们终于看到了这些结构中存在错位的证据。这表明我们可以通过控制边界的传播方向来控制位错簇的形成”。
“通过结合实验、理论和人工智能的多晶材料信息学提取和分析纳米级区域，我们首次实现了对复杂多晶材料现象的澄清，”宇佐美继续说道。“这项研究为建立高性能材料的通用指南指明了道路，并有望为创新多晶材料的创造做出贡献。这项研究的潜在影响不仅限于太阳能电池，还延伸到从陶瓷到半导体的方方面面。多晶材料在社会上被广泛使用，这些材料性能的提高有可能彻底改变社会。
