Une vaste base de données expérimentale de matériaux en couches minces inorganiques qui organise une décennie de recherche au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du ministère de l'Énergie est désormais accessible au public.

La base de données de matériaux expérimentaux à haut débit (HTEM) contient plus de 140, 000 entrées d'échantillons collectées par les scientifiques du NREL étudiant les matériaux inorganiques pour une utilisation dans des applications énergétiques avancées, comme les cellules solaires à couche mince. Les entrées fournissent des détails sur la structure, chimique, et les propriétés optoélectroniques des matériaux, et leurs conditions de synthèse. Plus de la moitié de ces données sont actuellement disponibles en ligne sur htem.nrel.gov.

"Toutes les bases de données expérimentales existantes contiennent soit de nombreuses entrées, soit toutes ces informations de propriété, mais pas les deux, " a déclaré Andriy Zakoutaïev, un scientifique au Materials Science Center du NREL, qui se consacre au développement de nouveaux matériaux et dispositifs pour les cellules solaires et d'autres technologies d'énergie renouvelable. Zakoutaïev et Caleb Phillips, un data scientist au Computational Science Center du NREL, a dirigé l'article récemment publié "Une base de données expérimentale ouverte pour l'exploration de matériaux inorganiques".

Publié dans Données scientifiques , le document a également été co-écrit par Nick Wunder, Marcus Schwarting, John Perkins, Robert Blanc, Kristin Munch, et Guillaume Tumas, tous de NREL. Tumas est directeur du Center for Next Generation of Materials Design, un centre de recherche Energy Frontier financé par le ministère de l'Énergie, qui est chargé de découvrir de nouveaux matériaux énergétiques.

En travaillant sur de nouveaux matériaux, les scientifiques synthétisent de nombreux échantillons, mais seule une fraction de ce qu'ils apprennent en cours de route est publiée. Perkins, un scientifique senior au Materials Science Center, estime que les informations sur moins de 10 pour cent des échantillons sont publiées dans une revue scientifique. « Vous n'écrivez vraiment que des articles de journaux sur des matériaux qui ont fonctionné, " il a dit, l'ajout d'informations qui n'ont pas été publiées pourrait également être utile aux efforts de recherche.

"Notre conviction est que mettre toutes ces données dans le domaine public accélérerait l'avancement de la science des matériaux, notamment par des chercheurs n'ayant pas accès à des équipements expérimentaux coûteux, aux États-Unis et dans le monde, " a déclaré Perkins.

Historiquement, les scientifiques ont fait un échantillon à la fois, l'a mesuré, analysé les données, puis en a fait un autre. Mais les progrès technologiques dans les équipements de recherche et les contrôles informatiques ont permis aux chercheurs de collecter plus de données plus rapidement. Un film carré mince mesurant 2 pouces de côté peut avoir 100 points de données car de telles "bibliothèques" d'échantillons sont intentionnellement constituées de gradients de composition chimique, température de synthèse, ou épaisseur du film, par exemple. "Faire systématiquement de telles recherches combinatoires pendant de nombreuses années, pour différents projets avec des objectifs différents, est ce qui a permis la création de cette base de données, " a déclaré Zakoutaïev.

Cet exemple d'expérience combinatoire à haut débit permet de collecter les données à des volumes et des débits plus importants que jamais et ouvre la possibilité à l'apprentissage automatique d'accélérer davantage l'analyse.

"Si vous vouliez savoir à quel point une combinaison particulière d'éléments chimiques était électriquement conductrice avant de fabriquer le matériau et de le mesurer, vous pourrez peut-être utiliser l'algorithme d'apprentissage automatique pour prédire cette quantité, ", a déclaré Phillips.

La base de données HTEM s'appuie sur près d'une décennie d'expériences en couches minces au NREL. Même les données qui ont été publiées, mais pas sous une forme qui pourrait être recherchée, a été numérisé et ajouté à la base de données. "Une fois que tout a été amassé, c'est un travail non trivial de le conserver et de le mettre sous une forme où il peut être analysé et compris, " Phillips a dit, ajoutant que c'est là que se trouvent les opportunités futures.

Maintenant, Philippe, Perkins, et Zakutayev participent à un effort de collaboration entre le NREL et le National Institute of Standards and Technology pour déployer un réseau d'outils expérimentaux à haut débit qui permettrait aux chercheurs de collaborer virtuellement sur la synthèse et l'analyse de nouveaux matériaux, les résultats étant ajoutés à des bases de données comme celle-ci. Le projet pilote a été baptisé High-Throughput Experimental Materials Collaboratory.

Développement, la conservation et le remplissage de la base de données HTEM ont été soutenus par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du NREL, le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie, et l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables.