Νέα προσέγγιση για την αξιολόγηση της σταθερότητας στους περοβσκίτες

Οι αναδυόμενες τεχνολογίες έχουν ιστορικά βασιστεί στην ανακάλυψη και ανάπτυξη νέων υλικών – τσιπ υπολογιστών πυριτίου, μπαταρίες ιόντων λιθίου, LED νιτριδίου γαλλίου, κ.λπ. Ο χώρος των πιθανών υλικών που θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από περισσότερα από 80 φυσικά στοιχεία είναι σχεδόν απεριόριστος .

Για να αντιμετωπίσουμε τις προκλήσεις του αυξανόμενου πληθυσμού μας, μειώνοντας δραματικά και τελικά εξαλείφοντας την εξάρτησή μας από ορυκτά καύσιμα για ενέργεια, χρειαζόμαστε μια ορθολογική προσέγγιση για την επιτάχυνση της ανακάλυψης ενεργειακών υλικών επόμενης γενιάς. Ένας πρόσφατος συνδυασμός μεταξύ της επιστήμης των υλικών και της μηχανικής μάθησης, που ονομάζεται πληροφορική υλικών, έχει ενθαρρύνει μεγάλα βήματα προς αυτόν τον στόχο της ταχείας ανακάλυψης, σχεδίασης και υλοποίησης υλικών.

Οι ηλιακές κυψέλες είναι μια κρίσιμη περιοχή ανάγκης για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων του κόσμου με ανανεώσιμες πηγές (χωρίς άνθρακα). Μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται περοβσκίτες έχουν καταιγίσει αυτό το πεδίο, με τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη να έχουν σχεδόν διπλασιαστεί σε απόδοση από την ανακάλυψή τους πριν από λιγότερο από 10 χρόνια. Το όνομα περοβσκίτης προέρχεται από τον Lev Perovski που ανακάλυψε το ορυκτό, το τιτανικό ασβέστιο (CaTiO₃ ), στα Ουράλια Όρη σχεδόν πριν από 200 χρόνια. Οι περοβσκίτες είναι μια συναρπαστική κατηγορία υλικών για πολλές εφαρμογές, επειδή μπορούν να φιλοξενήσουν την υποκατάσταση πολλών διαφορετικών κατιόντων και ανιόντων διατηρώντας παράλληλα τη δομή του περοβσκίτη (Εικόνα 1 ).

Ο γενικός τύπος για τους περοβσκίτες είναι ABX ₃ , όπου, στην περίπτωση του τιτανικού ασβεστίου, A =ασβέστιο (Ca), B =τιτάνιο (Ti) και X =οξυγόνο (Ο). Αυτές οι δομές χαρακτηρίζονται από ένα μεγάλο A- κατιόν του ιστότοπου που περιβάλλεται από ένα δίκτυο κοινής χρήσης γωνίας BX ₆ οκτάεδρα και διακρίνονται για τη σταθερότητά τους και τις δυνατότητες μεταφοράς φορτίου. Εκτός από τα ηλιακά κύτταρα, αυτά τα υλικά έχουν βρει χρήση ως καταλύτες, ηλεκτρολύτες και LED, μεταξύ άλλων εφαρμογών.

Η πιο κρίσιμη ιδιότητα κατά την εξέταση ενός νέου υλικού για οποιαδήποτε εφαρμογή είναι η σταθερότητά του. Εάν το υλικό είναι ασταθές, θα είναι δύσκολο να συντεθεί και απίθανο να διατηρήσει την αποτελεσματικότητά του όταν εφαρμόζεται ως συσκευή. Για παράδειγμα, τα ηλιακά κύτταρα αναμένεται να διατηρήσουν την απόδοσή τους στη στέγη ενός σπιτιού για τουλάχιστον 25 χρόνια. Ιστορικά, η σταθερότητα των νέων υλικών έχει αξιολογηθεί με πειραματικές δοκιμές και σφάλματα. Ένας χημικός στερεάς κατάστασης μπορεί να φανταστεί μια νέα ένωση και να πάει στο εργαστήριο και να προσπαθήσει να την φτιάξει από ένα σύνολο πιθανών πρόδρομων υλικών και συνθηκών σύνθεσης. Ενώ η διαίσθηση ενός καλού χημικού μπορεί να οδηγήσει σε συναρπαστικές ανακαλύψεις, αυτή είναι μια δαπανηρή και χρονοβόρα διαδικασία. Όταν οι πειραματιστές χημικοί μπορούν να καθοδηγηθούν από επιτυχημένους εμπειρικούς κανόνες ή «περιγραφείς», αυτή η διαδικασία μπορεί να επιταχυνθεί σημαντικά. Το 1921, ο Viktor Goldschmidt επινόησε τον περίφημο «παράγοντα ανοχής» του, ο οποίος συσχετίζει τις ακτίνες του A , B , και X ιόντων σε ένα δεδομένο ABX ₃ τύπος και βοηθά να δείξει εάν μια δεδομένη ένωση είναι πιθανό να είναι σταθερή στη δομή του περοβσκίτη. Ενώ η απόπειρα σύνθεσης μιας νέας ένωσης μπορεί να διαρκέσει εβδομάδες ή μήνες, ένας απλός περιγραφέας όπως ο παράγοντας ανοχής του Goldschmidt μπορεί να εφαρμοστεί για πολλές ενώσεις σε λίγα δευτερόλεπτα. Σχεδόν 100 χρόνια μετά την εφεύρεσή του, ο παράγοντας ανοχής του Goldschmidt εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως για να κάνει μια αρχική εικασία για το εάν μια ένωση μπορεί να συντεθεί ως περοβσκίτης.

Στην εργασία μας, συγκεντρώσαμε μια βάση δεδομένων ενώσεων που είναι πειραματικά γνωστό ότι είναι είτε σταθερές είτε ασταθείς στη δομή του περοβσκίτη, δοκιμάσαμε την προγνωστική δύναμη του παράγοντα ανοχής του Goldschmidt και χρησιμοποιήσαμε τη μηχανική μάθηση για να βελτιώσουμε σημαντικά αυτόν τον περιγραφικό δείκτη. Βρήκαμε ότι για ένα σύνολο> 500 υλικών, ο παράγοντας ανοχής του Goldschmidt προβλέπει σωστά τη σταθερότητα του περοβσκίτη στο 74% των περιπτώσεων. Χρησιμοποιώντας τις ίδιες εισόδους (δηλαδή, τις ιοντικές ακτίνες του A , B , και X ), εφαρμόσαμε έναν αλγόριθμο στατιστικής εκμάθησης που ονομάζεται SISSO για να προσδιορίσουμε έναν νέο παράγοντα ανοχής που προβλέπει σωστά τη σταθερότητα του περοβσκίτη για το 92% του ίδιου συνόλου υλικών. Όπως και με την παράμετρο του Goldschmidt, χιλιάδες πιθανοί περοβσκίτες μπορούν να ταξινομηθούν ως σταθεροί ή ασταθείς μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, αλλά τώρα με πολύ βελτιωμένη προγνωστική ακρίβεια.

Η βελτίωση του παράγοντα ανοχής μας σε σύγκριση με τον Goldschmidt's μπορεί να βρεθεί κυρίως στη μεγάλη μείωση του ψευδώς θετικού ποσοστού από 51% σε 11%. Αυτό υποδηλώνει ότι ένας πειραματικός χημικός που ελπίζει να συνθέσει έναν νέο περοβσκίτη θα πετύχαινε ~9 από 10 φορές χρησιμοποιώντας τον παράγοντα ανοχής μας σε σύγκριση με μόνο 5 από τις 10 χρησιμοποιώντας τον προηγούμενο παράγοντα ανοχής τελευταίας τεχνολογίας που αναπτύχθηκε από τον Goldschmidt. Αναμένουμε ότι ο παράγοντας ανοχής μας θα είναι ο νέος περιγραφέας αναφοράς που θα παρέχει μια αρχική πρόβλεψη για το εάν μια δεδομένη ένωση θα κρυσταλλωθεί ή όχι στη δομή του περοβσκίτη, μειώνοντας το χρόνο και το κόστος του αγωγού ανάπτυξης υλικών από την αναγνώριση έως τη σύνθεση στην εφαρμογή ως υλικά αιχμής για αναδυόμενες ενεργειακές τεχνολογίες.

Αναφορές:

1. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
2. V. M. Goldschmidt, Die gesetze der krystallochemie. Naturwissenschaften 14, 477–485 (1926).
3. R. Ouyang, S. Curtarolo, E. Ahmetcik, M. Scheffler, L. M. Ghiringhelli, SISSO:Μια μέθοδος συμπιεσμένης ανίχνευσης για τον εντοπισμό του καλύτερου περιγραφέα χαμηλής διάστασης σε ένα πλήθος προσφερόμενων υποψηφίων. Φυσ. Rev. Mater. 2, 083802 (2018).