Amorft material beräknat atomistiskt för första gången: Maskininlärning avslöjar tunna skiktens atomära hemligheter

Aluminiumoxid är materialvetenskapens bananfluga: grundligt undersökt och väl förstått. Föreningen med den enkla kemiska formeln Al2O3 förekommer i form av mineralet korund och dess färgvarianter safir och rubin ofta i jordskorpan – och används för de mest varierande ändamålen, vare sig i elektronik, kemisk industri eller i teknisk keramik.

En särskild egenskap hos aluminiumoxid är dess förmåga att anta olika strukturer vid samma sammansättning. Alla dessa varianter är också väl förstådda – med ett undantag. Förutom en rad kristallina former kan aluminiumoxid också förekomma i en amorf, alltså oordnad form. Amorft aluminiumoxid har särskilt fördelaktiga egenskaper för vissa högteknologiska tillämpningar, till exempel i form av särskilt enhetliga skyddsbeläggningar eller ultratunna passiveringsskikt.

Trots sin utbredda användning och kunskapen om dess bearbetning är amorft aluminiumoxid på atomnivå fortfarande ett mysterium. "Kristallina material består av små, regelbundet återkommande underenheter", förklarar Empa-forskaren Vladyslav Turlo från laboratoriet "Advanced Materials Processing" i Thun. Därför kan de relativt enkelt undersökas ända ner till en atom – och modelleras på datorn. För den som kan beräkna interaktionen av atomer i en enda kristallenhet kan också enkelt beräkna större kristaller bestående av flera enheter.

Amorfa material har ingen sådan periodisk struktur. Atomerna ligger mer eller mindre vilt huller om buller – svårt att undersöka och ännu svårare att modellera. "Om vi skulle simulera tillväxten av ett tunt skikt av amorft aluminiumoxid på atomnivå från grunden, skulle beräkningen med dagens metoder ta längre tid än universums ålder", säger Turlo. Exakta simuleringar är dock nyckeln till effektiv materialforskning: De hjälper forskare att förstå sina material och optimera deras egenskaper.

Exakt simulerat och experimentellt bekräftat

Empa- forskare under ledning av Turlo har nu för första gången lyckats simulera amorft aluminiumoxid snabbt, exakt och effektivt på dator. Deras modell, som förenar experimentella data, högpresterande simuleringar och maskininlärning, ger information om den atomära ordningen i amorfa Al2O3-skikt och är den första i sitt slag. Forskarna har publicerat resultaten i tidskriften "npj Computational Materials".

Genombrottet möjliggjordes tack vare ett tvärvetenskapligt samarbete mellan flera Empa-laboratorier. Turlo och hans medarbetare Simon Gramatte, försteförfattare av publikationen, baserade modellens utveckling på experimentella data. Forskare från laboratoriet "Mechanics of Materials and Nanostructures" tillverkade amorfa aluminiumoxid-tunna filmer via atomskiktsdeponering och undersökte dem tillsammans med laboratoriet "Joining Technologies and Corrosion" i Dübendorf.

En stor styrka hos modellen: Den tar hänsyn till aluminium- och syreatomerna i aluminiumoxiden, samt inneslutna väteatomer. "Amorft aluminiumoxid innehåller beroende på tillverkningsmetod olika stora andelar av väte", förklarar medförfattaren Ivo Utke. Väte är det minsta elementet i det periodiska systemet och därför svårt att mäta och modellera.

Tack vare en innovativ spektroskopimetod kallad HAXPES, som i Schweiz bara är möjlig vid Empa, kunde forskarna karakterisera den kemiska tillståndet hos aluminium i de olika tunna skikten och inkludera denna information i simuleringen för att för första gången härleda vätets fördelning i aluminiumoxiden. "Vi kunde visa att väte vid en viss koncentration binder till syret i materialet och därmed påverkar den kemiska tillståndet hos de andra elementen", säger medförfattare Claudia Cancellieri. Detta förändrar materialegenskaperna: aluminiumoxidet blir därmed "lösare", alltså mindre tätt.

Genombrott för grön vätgas

Denna förståelse av den atomära strukturen banar väg för nya tillämpningar av amorft aluminiumoxid. Den största potentialen ser Turlo inom området för produktion av grön vätgas. Grön vätgas produceras genom klyvning av vatten med hjälp av förnybar energi – eller till och med direkt solljus. För att separera vätgasen från det även bildade syret behövs effektiva filtermaterial som bara släpper igenom ett av gaserna. "Amorft aluminiumoxid är ett oerhört lovande material för dessa vätgasmembran", säger Turlo. "Tack vare vår modell får vi en bättre förståelse för hur vätgas innehållet i materialet gynnar diffusionen av gasformig vätgas i jämförelse med större gasmolekyler." I framtiden vill Empa-forskarna med hjälp av modelleringarna specifikt tillverka aluminiumoxid- membran.

"En atomär förståelse av våra material tillåter oss att optimera materialegenskaperna – vare sig i avseende på mekanik, optik eller permeabilitet – mycket mer riktat", säger materialforskaren Utke. Modellen kan nu leda till förbättringar i alla tillämpningar av amorft aluminiumoxid – och med tiden även överföras till andra amorfa material. "Vi har visat att en exakt simulering av amorfa material är möjlig", sammanfattar Turlo. Och tack vare maskininlärning tar processen nu bara ungefär en dag – istället för miljarder år.