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2025.03.19 星期三

材料科学突破：AI揭示薄膜树枝状生长的秘密

研究人员开发了一种新的AI模型，可以预测薄膜中的树枝状生长，从而帮助优化薄膜生长过程。 材料科学突破：AI揭示薄膜树枝状生长的秘密 薄膜器件由几纳米厚的材料层组成，在从半导体到通信技术的各种技术中发挥着重要作用。例如，石墨烯和六方氮化硼（h-BN）多层薄膜沉积在铜基板上，是下一代高速通信系统有前景的材料。 薄膜的生长方式是将微小的材料层沉积到基板上。生长过程条件会显著影响这些薄膜的微观结构，进而影响其功能和性能。

树枝状结构，或生长过程中出现的树状分支图案，对薄膜器件的大面积制造提出了重大挑战，而大面积制造是商业应用的关键一步。它们常见于铜、石墨烯和硼烯等材料中，尤其是在早期生长阶段和多层薄膜中。由于微观结构直接影响器件性能，因此减少树枝状结构的形成至关重要。然而，研究树枝状结构的方法主要依赖于粗略的视觉分析和主观解释。了解驱动树枝状分支的条件对于优化薄膜生长过程至关重要，但现有方法通常需要大量的试错。

为了应对这些挑战，由日本 Tokyo University of Science (TUS) 材料科学与技术系的 Masato Kotsugi 教授领导的研究团队开发了一种创新的、可解释的人工智能 (AI) 模型，用于分析树枝状结构。该团队包括同样来自 TUS 的 Misato Tone 和来自 Okayama University 的 Ippei Obayashi。该团队开发了一种新方法，通过将持久同调和机器学习与能量分析相结合，将树枝状生长中的结构和过程联系起来。“我们的方法为生长机制提供了新的见解，并为优化薄膜制造提供了一条强大的、数据驱动的途径，”Kotsugi 教授解释说。他们的研究于 2025 年 3 月 7 日在线发表在 Science and Technology of Advanced Materials: Methods 上。

为了分析树枝状结构的形态，该团队使用了一种名为持久同调 (PH) 的前沿拓扑方法。 PH 能够对几何结构中的孔洞和连接进行多尺度分析，捕捉树状树枝状微观结构的复杂拓扑特征，而传统的图像处理技术通常会忽略这些特征。

研究人员将 PH 与主成分分析 (PCA) 结合起来，PCA 是一种机器学习技术。通过 PCA，通过 PH 提取的树枝状结构形态的基本特征被简化为二维空间。这使得该团队能够量化树枝状结构中的结构变化，并建立这些变化与 Gibbs 自由能之间的关系，Gibbs 自由能是材料中影响晶体生长过程中树枝状结构如何形成的可用能量。通过分析这种关系，他们发现了影响树枝状分支的特定条件和隐藏的生长机制。 Kotsugi 教授解释说：“我们的框架定量地将树枝状形态映射到 Gibbs 自由能变化，揭示了驱动分支行为的能量梯度。”

为了验证他们的方法，研究人员研究了六边形铜基板上的树枝状生长，并将他们的结果与来自相场模拟的数据进行了比较。

“通过整合拓扑和自由能，我们的方法为材料分析提供了一种通用的方法。通过这种整合，我们可以在各种材料中建立原子尺度微观结构和宏观功能之间的分层连接，为材料科学的未来进步铺平道路，”Kotsugi 教授评论道。“重要的是，我们的方法可以促进高质量薄膜器件的开发，从而实现超越 5G 的高速通信。”

这项研究的框架可以通过揭示隐藏的结构-功能关系和推进复杂系统分析，为传感器技术、非平衡物理学和高性能材料的突破铺平道路。 材料科学突破：AI揭示薄膜树枝状生长的秘密 图像标题：树枝状结构的主成分分析 图像说明：PCA 使团队能够量化树枝状结构中的结构变化，并将这些变化与 Gibbs 自由能相关联。 这种关系揭示了驱动薄膜中树枝状分支的特定条件和机制。 图片来源：日本 Tokyo University of Science 的 Masato Kotsugi 图片来源链接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/27660400.2025.2475735 许可证类型：CC BY 4.0 使用限制：必须注明创作者。

参考

原始论文标题 |: | 使用持久同调和能量分析连接树枝状生长中的结构和过程 ---|---|--- 期刊 |: | Science and Technology of Advanced Materials: Methods DOI |: | 10.1080/27660400.2025.2475735

关于 The Tokyo University of Science

Tokyo University of Science (TUS) 是一所知名且受人尊敬的大学，也是日本最大的科学专业私立研究型大学，在东京市中心及其郊区以及北海道设有四个校区。该大学成立于 1881 年，通过培养研究人员、技术人员和教育工作者对科学的热爱，不断为日本的科学发展做出贡献。

TUS 的使命是“创造科学技术，促进自然、人类和社会的和谐发展”，并开展了从基础科学到应用科学的广泛研究。 TUS 采用多学科的研究方法，并对当今一些最重要的领域进行了深入研究。 TUS 是一种精英体制，科学领域的佼佼者会得到认可和培养。 它是日本唯一一所培养出诺贝尔奖获得者的私立大学，也是亚洲唯一一所培养出自然科学领域诺贝尔奖获得者的私立大学。 ■ Tokyo University of Science (关于 TUS) ■ 研究列表 ■ 新闻稿列表

关于 Tokyo University of Science 的 Masato Kotsugi 教授

Masato Kotsugi 教授于 1996 年毕业于日本 Sophia University，随后于 2001 年获得日本 Osaka University 工程科学研究生院博士学位。他于 2015 年加入 Tokyo University of Science，担任讲师，现在是先进工程学院材料科学与技术系的教授。 Kotsugi 教授和他的学生对高性能材料进行前沿研究，以创建一个绿色能源社会。 他已发表 130 多篇同行评审论文，目前对固态物理、磁学、同步辐射和材料信息学感兴趣。实验室网站 TUS 官方网站

资金信息

这项工作得到了日本科学技术振兴机构 (JST) CREST（授权号 JPMJCR21O4）的支持。 这项工作得到了日本学术振兴会 (KAKENHI) 科研补助金 (A) (21H04656)、具有挑战性的研究补助金（探索性）(19K22117) 和 Beyond 5G 研究与开发项目（授权号：05901）以及 JST-Mirai 计划（授权号：JPMJMI22708192）的部分支持。 返回

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