Машинное обучение помогло объяснить неожиданную теплопроводность материала

Исследователи давно доказали, что кубическая фаза теллурида германия (GeTe) демонстрирует неожиданный рост теплопроводности кристаллической решетки при повышении температуры. Но знать о существовании этого свойства и объяснить его, – две совершенно разные вещи.

Чжитин Тянь, доцент Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии Сибли в Корнелле, является ведущим автором статьи в журнале Nature Communications, в которой приводится убедительное объяснение неожиданного поведения GeTe. В целом, исследование углубляет понимание термопереноса в классе материалов, известных как материалы с фазовым переходом.

Тиан и ее команда исследователей обнаружили, что по мере того, как образец GeTe нагревается до такой степени, что его фазовая структура меняется с ромбоэдрической на кубическую, связи между ближайшими соседями подобных атомов (Ge-Ge и Te-Te) значительно укрепляются. Прочность соединения Ge-Ge увеличилась на 8,3%, а прочность соединения Te-Te увеличилась на целых 103%, когда температура образца повысилась с 693 градусов по Кельвину до 850 градусов по Кельвину.

Группа использовала расчеты с использованием принципов машинного обучения, подтвержденные измерениями рассеяния рентгеновских лучей, чтобы впервые воспроизвести тенденцию к увеличению теплопроводности с помощью вычислений. Затем они применили широко используемый химический метод для анализа связей и подтвердили, что эти все более прочные связи второго ближайшего соседа играют важную роль в ранее необъяснимом увеличении теплопроводности кристаллической решетки GeTe.

Иллюстрация соответствия данных IXS

«Поскольку мы смогли использовать потенциал машинного обучения, у нас получилось более эффективно анализировать взаимодействия и учитывать множество эффектов – температурную зависимость, четырехфононное рассеяние и вклад в когерентность – все сразу».

Материалы с фазовым переходом, такие как GeTe, ценятся за их полезность в различных оптических и электронных приложениях. Их оптические и электрические свойства заметно изменяются в зависимости от того, в каком из нескольких стабильных фазовых состояний они находятся, и эти фазовые состояния могут быть легко изменены.

Более того, по словам Тиана, научного сотрудника Центра устойчивого развития Корнелла Аткинсона, о GeTe говорили как о замене полупроводникового теллурида свинца в качестве термоэлектрического материала из-за присущей свинцу токсичности.

Эта работа демонстрирует эффективный и тщательный подход к точному моделированию материалов вблизи фазовых переходов при высоких температурах, что является перспективным для применения в области фазового перехода, термоэлектрики и других областях энергетики.

Источник: https://phys.org/news/2024-08-machine-material-unexpected-thermal.html