다결정 재료의 원자 수준 메커니즘

캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스와 다른 국제 기관의 연구원들은 다결정 재료에서 입자 회전을 원자 규모로 관찰하는 데 처음으로 성공했습니다. 전자 장치, 항공 우주 기술, 자동차 응용 분야 및 태양 에너지 시스템에 널리 사용되는 이러한 물질은 고유한 특성과 구조적 역학에 대해 오랫동안 연구되어 왔습니다.

과학자들은 UC Irvine Materials Research Institute에 보관된 최첨단 현미경 도구를 사용하여 백금 나노결정질 박막 샘플을 가열하고 전례 없는 세부 사항으로 입자 회전을 구동하는 메커니즘을 관찰할 수 있었습니다. 그들의 연구 결과는 최근 Science 에 게재된 논문의 주제입니다.

이 연구는 4차원 주사 투과 전자 현미경 및 고각 환형 암시야 STEM과 같은 고급 기술을 사용했습니다. 대규모 4D-STEM 데이터 세트를 해석하는 과제를 해결하기 위해 저자는 데이터에서 중요한 정보를 추출하는 새로운 머신 러닝 기반 알고리즘을 개발했습니다. 이러한 강력한 이미징 및 분석 도구는 관련된 원자 프로세스에 대한 직접적인 실시간 뷰를 제공했으며, 특히 결정립 경계에서의 단절의 역할을 강조했습니다.

"과학자들은 수십 년 동안 결정립 경계에서 발생하는 현상에 대해 추측하고 이론화해 왔지만, 이제 과학계에서 사용할 수 있는 가장 진보된 장비를 사용하여 이론에서 관찰로 전환할 수 있었습니다." 저자 중 한 명인 UC 어바인 재료 과학 및 공학과 명예교수이자 UC IMRI 이사인 샤오칭 판(Xiaoqing Pan)의 말입니다.

다결정 재료의 개별 결정립 사이의 계면인 결정립 경계는 전도도와 효율에 영향을 줄 수 있는 결함을 품고 있는 것으로 알려져 있습니다. 연구자들은 이러한 물질에서 결정립 회전이 단절(계단 및 전위 특성을 모두 가진 선 결함)이 결정립 경계를 따라 전파됨으로써 발생한다는 것을 발견했습니다. 이러한 통찰력은 나노결정 재료의 미세 구조적 진화에 대한 이해를 크게 향상시킵니다.

기계 학습 지원 데이터 분석을 통해 이 연구는 또한 처음으로 입자 회전과 입자 성장 또는 수축 간의 통계적 상관 관계를 밝혀냈습니다. 이 관계는 분리 운동에 의해 구동되는 전단 결합 입자 경계 이동에서 발생하며, STEM 관찰을 통해 확인되고 원자적 시뮬레이션을 통해 뒷받침됩니다. 이 발견은 입자 회전의 기본 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라 나노결정 재료의 역학에 대한 통찰력을 제공하기 때문에 중요합니다.

"저희의 결과는 원자 규모에서 다결정체에서 입자가 회전하는 메커니즘에 대한 명확하고 정량적이며 예측 가능한 증거를 제공합니다." UC Irvine의 물리학 및 천문학과 교수이자, 공학 분야의 Henry Samueli 기부 교수이며, UC Irvine 복합 및 활성 재료 센터의 이사인 Pan은 말했습니다. "분리가 입자 회전과 입자 경계 이동 프로세스를 제어하는 ​​방식을 이해하면 이러한 재료의 미세 구조를 최적화하기 위한 새로운 전략으로 이어질 수 있습니다. 이러한 지식은 전자, 항공우주 및 자동차 분야를 포함한 다양한 산업에서 기술을 발전시키는 데 매우 귀중합니다."

이 연구는 다결정 소재의 성능과 신뢰성을 개선하여 광범위한 응용 분야에서 보다 효율적이고 내구성 있게 만들 수 있는 새로운 전망을 제공합니다.

이 프로젝트에서 Pan의 협력자는 UC Irvine의 Yutong Bi, Ying Han, Yuan Tian 및 Mingjie Xu, 홍콩 대학교의 Xiaoguo Gong 및 David Srolovitz, 콜롬비아 국립 대학교의 Leonardo Velasco Estrada, 독일 Karlsruhe Institute of Technology의 Evgeniy Boltynjuk, 오클라호마 대학교의 Horst Hahn, 홍콩 시립 대학교의 Caihao Qiu 및 Jian Han입니다. 이 연구는 National Science Foundation의 Materials Research Science and Engineering Centers 프로그램, 미국 육군 연구 사무소 및 홍콩 연구 지원 위원회의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241008201417.htm