23.04.2018

Schichtentwicklung auf der Überholspur

NREL öffnet große Datenbank mit anorganischen Dünnschichtmaterialien.

Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-amerikanischen Department of Energy hat seine umfangreiche experimentelle Daten­bank mit anorganischen Dünn­schicht­materialien öffentlich zugänglich gemacht. Die High Throughput Experimental Materials (HTEM) Datenbank enthält mehr als 140.000 Proben­einträge von NREL-Wissen­schaftlern, die anor­ga­nische Materialien für den Einsatz in Energie­anwendungen, wie z.B. Dünn­schicht­solarzellen, untersuchen. Die Einträge geben Auskunft über die strukturellen, chemischen und opto­elektro­nischen Eigen­schaften der Materialien und deren Synthese­bedingungen. Mehr als die Hälfte dieser Daten sind derzeit online unter htem.nrel.gov verfügbar.

Abb.: Unter dem Acronym HTEM steht dem Schichtentwickler eine Datenbank mit über 140.000 Probeneinträgen zur Orientierung zur Verfügung. (Bild NREL)

„Alle existierenden experimentellen Materialdatenbanken enthalten entweder viele Einträge oder listen alle Informationen über die Materialeigenschaften, aber nicht beides“, sagt Andriy Zakutayev, Wissenschaftler am NREL Materials Science Center, das sich der Entwicklung neuer Materialien und Geräte für Solarzellen und andere erneuerbare Energietechnologien widmet. Zakutayev und Caleb Phillips, ein Datenwissenschaftler des Computational Science Center am NREL, leiteten die neu erschienene Arbeit über die experimentelle Datengrundlage zur Erforschung anorganischer Materialien.

Bei der Arbeit an neuen Materialien synthetisieren Wissen­schaftler viele Proben, aber nur ein Bruchteil dessen, was sie dabei lernen, wird jemals veröffentlicht. John Perkins, ein leitender Wissen­schaftler im Materials Science Center, schätzt, dass Informa­tionen über weniger als 10 Prozent der Proben es in eine wissen­schaft­liche Zeit­schrift schaffen. „Wissen­schaftler schreiben nur Zeitschriften­artikel über Materialien, die funktionierten“, sagte er und fügte hinzu, auch die nicht veröffent­lichten Informationen könnten für die Forschung nützlich sein. „Wir glauben, dass die Veröffent­lichung all dieser Daten den Fort­schritt der Material­wissen­schaft beschleunigen wird und ins­besondere auch Forschern ohne Zugang zu teuren Versuchs­geräten – sowohl in den Vereinigten Staaten als auch auf der ganzen Welt – helfen wird", so Perkins.

Abb.: Mittels vakuumgestützter Abscheideverfahren synthetisierte Gradientenschichten liefern auf kleinstem Raum verschiedene Eigenschaften, die durch räumlich aufgelösten Charakterisierungstechniken automatisch erfasst und in der Datenbank verzeichnet werden.(Bild: NREL)

Früher fertigten Wissen­schaftler jeweils eine Probe an, vermaßen deren Eigen­schaften, analysierten die Daten und fertigten dann mit verändertem Para­meter­satz eine weitere Probe an. Aber der techno­logische Fortschritt insbesondere in der Computer­steuerung der Depositions- und Analyse­verfahren ermöglichen es, mehr Daten schneller zu sammeln. So kann heutzutage eine quadratische Dünn­schicht­probe mit einer Kantenlänge von etwa 2,5 Zentimeter kann 100 Daten­punkte liefern, da sie gezielt mit Gradienten in der chemischen Zusammen­setzung, der Synthese­temperatur oder der Schicht­dicke hergestellt werden. „Eine solche kombi­natorische Forschung systematisch über viele Jahre hinweg für verschiedene Projekte mit unter­schied­lichen Zielen zu betreiben, hat die Schaffung dieser Datenbank ermöglicht“, sagte Sakutajew.

Dieses kombinatorische Hochleistungsexperiment gestattet, die Daten in großem Umfang und mit hoher Geschwindigkeit zu sammeln und bietet darüber hinaus auch noch die Möglichkeit, die Analyse durch maschinelles Lernen weiter zu beschleunigen.

„Wenn Sie zum Beispiel wissen wollten, wie elektrisch leitfähig eine bestimmte Kombi­nation von chemischen Elementen sein wird, bevor Sie das Material hergestellt und vermessen haben, können Sie vielleicht den maschinellen Lern­algorithmus verwenden, um diese Menge vorher­zusagen", sagt Phillips.

Abb.: Erspart viel Zeit bei der Schicht­entwicklung: aus den systematisch gewonnenen Schicht­eigen­schaften – wie zum Beispiel hier der Leit­fähigkeit – wählt man den gewünschten Wert aus und schlägt die entsprechenden Abscheide­parameter nach. (Bild: NREL)

Die HTEM-Datenbank basiert auf fast einem Jahrzehnt Dünn­schicht-Experi­menten am NREL. Auch zwar bereits veröffent­lichte, aber nicht recher­chier­bare Daten wurden digi­tali­siert und in die Daten­bank aufgenommen. „Die gesammelten Daten zu sichten, ordnen und in eine Form zu bringen, in der sie analysiert und verstanden werden können, ist keine triviale Aufgabe“, sagte Phillips und betonte, dass hier die zukünf­tigen Möglich­keiten liegen.

Jetzt nehmen Phillips, Perkins und Zakutayev an einer Zusammenarbeit zwischen NREL und dem National Institute of Standards and Technology teil, um ein Netzwerk von Hochdurchsatz-­Experimentier­werkzeugen zu entwickeln, die es Forschern ermöglichen würden, virtuell an der Synthese und Analyse neuer Materialien zusammen­zuarbeiten, wobei die Ergebnisse in Daten­banken wie dieser gesammelt werden. Das Pilot­projekt wurde als High-Throughput Experimental Materials Collaboratory bezeichnet.

AAA / LK

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