Nové numerické modely pro design kujných tvrdých vrstev

Výzkumná skupina Depozice tenkých vrstev a nanostruktur na Ústavu fyziky a technologií plazmatu dlouhodobě vyniká v experimentální přípravě tenkých vrstev. Vědci se věnují výzkumu a přípravě tvrdých ochranných vrstev na ústavu již více než dvacet let. Od svých začátků se skupina několika málo vědců rozrostla v početnou vědeckou skupinu. Většina vědců se zabývá optimalizací procesu experimentální přípravy tenkých vrstev magnetronovým naprašováním volbou vhodných procesních parametrů a poté kontrolují, jaké má vrstva složení, strukturu, mechanické vlastnosti apod. Modelování vrstev a jejich vlastností se ve skupině věnuje Mgr. Pavel Ondračka, Ph.D., který jako teoretik pracuje na modelech materiálů pro tenké vrstvy. Tyto modely pomáhají pochopit procesy, které vznik, strukturu a vlastnosti vrstev určují.

Dr. Ondračka vystudoval bakalářský obor Fyzika a magisterský obor Fyzika plazmatu na Přírodovědecké fakultě MU. Pod vedením doc. Lenky Zajíčkové se věnoval optické diagnostice tenkých vrstev. Na doktorském studiu pokračoval pod jejím vedením v teoretických výpočtech optických vlastností a v roce 2018 úspěšně absolvoval obor Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie. Od roku 2019 byl na tříleté postdoc výzkumné pozici na Univerzitě v Cáchách (RWTH Aachen University) v Německu. Na Ústavu fyziky plazmatu a technologií pracuje od konce roku 2021 v týmu prof. Petra Vašiny.

Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) je prestižní evropský projekt pro doktorandy a mladé vědce určený k jejich dalšímu rozvoji nebo vzdělávání. Dr. Ondračka se o tento projekt ucházel a získal výborné hodnocení, ve velké konkurenci ostatních kvalitních projektů, nicméně nedosáhl na Evropské financování. Na základě výborného hodnocení se mohl ucházet o MSCA projekt Ministerstva školství, který podporuje omezené množství neúspěšných evropských MSCA projektů s výborným hodnocením, a tento projekt MSCAfellow5_MUNI (CZ.02.01.01/00/22_010/0003229) z Operačního programu výzkum, vývoj a vzdělávání úspěšně získal. Z ÚFTP se o projekt MSCA ucházel také Mgr. Oleksandr Galmiz, Ph.D., o jeho projektu si můžete dočíst zde.

Ve svém projektu s názvem „Material design of moderately ductile hard coatings“ si dr. Ondračka klade za cíl vyvinout model schopný předpovídat mechanické vlastnosti amorfního a nanokompozitního W-B-C (wolfram-bór-uhlík). Kujnými tvrdými vrstvami pro ochranné účely, mezi něž W-B-C systém patří, se vědci na ÚFTP zabývají již několik let a spolupracují i s průmyslovými partnery. Prof. Petr Vašina, odborník na depozice W-B-C vrstev a jejich aplikace, vystupuje v projektu jako školitel. S technickou stránkou modelování dr. Ondračkovi pomáhá druhý školitel v projektu doc. David Holec z Montanuniversität Leoben v Rakousku.

Dr. Ondračka komentuje: „Vědci umí dobře modelovat krystalické vrstvy a jejich mechanické vlastnosti. U amorfních vrstev, ale narážíme na problémy. Amorfní struktura je z definice aperiodická a pro její popis jsou potřeba obrovské modely, u kterých s klasickými metodami kvantové-mechaniky, jako je třeba teorie funkcionálu hustoty, moc nepochodíme kvůli nárokům na výpočetní čas, který kubicky roste s velikostí modelu. To znamená, že když zdvojnásobím počet atomů, tak se čas na výpočet zvětší 8x. Amorfní nebo nanokompozitní (krystalická zrna v amorfní matrici) struktura, je nicméně u tenkých vrstev velmi běžná. Proto jsou efektivní metody modelování těchto systémů velmi důležité.”

Svůj model dr. Ondračka vyvíjí pomocí metod strojového učení popisujících mezi-atomární interakce, tzv. strojově učený mezi-atomární potenciál. Na začátku stojí předpoklad, že chování atomu závisí pouze na jeho blízkém okolí, proto lze potenciál takzvaně natrénovat na menších kvantově-mechanických modelech, které jsou vědci schopni spočítat. S výjimkou exotických materiálů, jako jsou třeba supravodiče nebo některé magnetické materiály, je tento předpoklad poměrně dobře splněn, takže ztráta přesnosti modelu oproti výpočtům, na kterých se model učil, může být pro dobře vyladěný potenciál minimální. Výhodou je obrovské zrychlení. „Bavíme se o mnoha řádech, takže výpočty, které by normálně trvaly třeba týdny můžete díky lineárnímu škálování mít hotové za pár sekund. To znamená, že modelování dvojnásobného počtu atomů trvá dvojnásobně dlouho a můžeme se pustit i do modelů s miliony atomů. Hlavní výzva této práce je ta, že strojové učení se pro takto složité tříprvkové systémy moc nepoužívá a pokud vezmeme v úvahu různé struktury, lokální kompozice a přítomnost rozhraní, tak je situace velmi složitá. Většinu času tak zabere právě příprava učících dat, optimalizace a testování potenciálu, aby fungoval dobře za všech podmínek.” dodává dr. Ondračka.

Vědecká skupina doc. Holce má v modelování související s přípravou tenkých vrstev velké zkušenosti. Úzce spolupracují s experimentátory, pro které dělají jednak předpovědi nových materiálů se zajímavými vlastnostmi. Poskytují důležité teoretické porozumění fungování stávajících materiálů. Velké téma ve skupině je, mimo jiné, i aktuální problematika skladování vodíku, tzv. hydrogen storage. Právě do rakouského Leobenu přijel dr. Ondračka na tříměsíční pobyt v rámci projektové volitelné stáže, tzv. Secondment, aby tak s doc. Holcem a jeho kolegy společně pracovali na vývoji potenciálu strojového učení pro W-B-C.

Vyladění potenciálu a obecně použití metody strojového učení pro teoretické numerické výpočty struktury vrstev W-B-C je cílem práce dr. Ondračky. „Doposud nebyl nikdo schopen modelovat realisticky W-B-C systém ve velikostech relevantních pro strukturu, jakou skutečně pozorujeme v tenkých vrstvách. S naším potenciálem strojového učení půjdou předpovědi porovnat přímo s reálně připravenými laboratorními vrstvami a budeme schopni předpovídat vlastnosti pro amorfní a nanokompozitní fázi, čímž pomůžeme experimentátorům při optimalizaci tenkých vrstev pro průmyslové povlaky. Do budoucna si představuji, že by se tato metodika mohla jednoduše používat i pro podobné systémy, které se do hledáčku experimentálních vědců teprve dostávají,” uzavírá dr. Ondračka.