国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の宇佐美 徳隆 教授、横井 達矢 講師、情報学研究科の工藤 博章 准教授、小島 拓人研究員らは、東北大学金属材料研究所の 大野 裕 特任研究員、理化学研究所 革新知能統合研究センターの沓掛 健太朗 研究員、大阪大学産業技術研究所の 吉田 秀人 准教授との共同研究で、実験・計算・AIを融合した多結晶材料情報学による材料解析手法により、複雑な多結晶材料の転位発生メカニズムの解明に成功しました。
本研究では、メートルスケールの太陽光パネルに用いられる多結晶シリコンの画像データに独自開発したAIを適用し、仮想空間に多結晶材料の3次元モデルを作成しました。その3次元モデルを利用することで、材料性能を低下させる結晶欠陥である転位クラスターの発生領域を特定しました。さらに、その領域の電子顕微鏡観察と理論計算を連携させることで、粒界がナノスケールの階段状のファセット^注3)構造を形成して曲がり、転位が発生するというメカニズムを解明しました。このような複雑な多結晶材料中の現象解明は、実験・理論・AIを融合した多結晶材料情報学により、メートルスケールのマクロな材料から、現象を特徴づけるナノスケール領域を効率的に抽出・解析することで初めて可能となりました。
金属、セラミックス、半導体など、多結晶材料は極めて身近な材料です。本成果は、多結晶材料情報学が多様な多結晶材料の未解明現象の解明に有用であることを実証するものであり、学術の変革と革新的な多結晶材料創成への貢献が期待されます。
本研究成果は、2023年12月11日付アメリカのWileyが発行する『Advanced Materials』オンライン版に掲載されました。

【ポイント】

・多結晶^注1)材料の画像データにAIを適用して仮想空間に3次元モデルを作成
・3次元モデルを利用して材料性能を低下させる転位クラスター^注2)の発生領域を特定
・電子顕微鏡観察により転位発生源の原子配列とその形成過程を同定
・多結晶材料情報学の有用性実証により学術革新・材料創成への広範な貢献に期待

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【用語説明】

注1) 多結晶：
多数の単結晶粒から構成される固体。金属、セラミックス、半導体など多くの材料は多結晶である。
注2) 転位クラスター：
転位は結晶欠陥の一種であり、原子の並びが線状に乱れた領域を指す。転位がたくさん集まった領域を転位クラスターと呼び、太陽電池用シリコン多結晶では、転位クラスターが存在すると電気的特性が悪化し、太陽電池のエネルギー変換効率を低下させることが知られている。
注3) ファセット：
平らな面という意味であり、原子が面状に並んでいる状態。

【論文情報】

雑誌名：Advanced Materials
論文タイトル：Multicrystalline informatics applied to multicrystalline silicon for unraveling the microscopic root cause of dislocation generation
著者：Kenta Yamakoshi（工学研究科・博士前期課程修了）, Yutaka Ohno（東北大学・特任研究員）, Kentaro Kutsukake（理化学研究所・研究員）, Takuto Kojima（情報学研究科・研究員）, Tatsuya Yokoi(工学研究科・講師), Hideto Yoshida(大阪大学・准教授), Hiroyuki Tanaka(工学研究科・博士前期課程修了), Xin Liu（工学研究科・特任助教）, Hiroaki Kudo（情報学研究科・准教授）, Noritaka Usami（工学研究科・教授）
DOI: 10.1002/adma.202308599
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308599

【研究代表者】

大学院工学研究科　宇佐美 徳隆　教授
https://www.material.nagoya-u.ac.jp/photonics/