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Mit künstlicher Intelligenz zu konstruieren Materialeigenschaften

Neues System der „Stamm-Engineering“ kann ein Material ändern ist optisch, elektrisch, und thermische Eigenschaften. Anwendung nur ein wenig von Stamm zu einem Stück Halbleiter oder anderen kristallinen Material kann die geordnete Anordnung der Atome in seiner Struktur genug verformen dramatische Veränderungen in ihren Eigenschaften zu bewirken,, wie zum Beispiel der Art und Weise leitet es Strom, trägt Licht, oder leitet Wärme.

Jetzt, ein Team von Forschern am MIT und in Russland und Singapur haben sich vorhersagen, nutzen künstliche Intelligenz, um Hilfe zu finden und diese Veränderungen steuern, Öffnen möglicherweise neue Wege der Forschung über moderne Werkstoffe für zukünftige High-Tech-Geräte bis.

Die Ergebnisse erscheinen in dieser Woche in der Proceedings of the National Academy of Sciences, in einem Papier, verfasst von Professor am MIT von Nuklearwissenschaft und Technik und der Materialwissenschaften und Ingenieurwesen Ju Li, MIT Haupt Research Scientist Ming Dao, und MIT Doktorand Zhe Shi, mit Evgeni Tsymbalov und Alexander Shapeev am Skolkovo Institute of Science and Technology in Russland, und Subra Suresh, die Vannevar Bush Professor Emeritus und ehemaliger Dekan der Ingenieur am MIT und derzeitige Präsident der Nanyang Technological University in Singapur.

Bereits, basierend auf früheren Arbeiten am MIT, ein gewisser Grad an elastischer Spannung in einigen Silizium Prozessorchips eingebaut worden. selbst ein 1 prozentuale Veränderung in der Struktur kann die Geschwindigkeit der Vorrichtung in einigen Fällen verbessern, indem 50 Prozent, von Elektronen bewegen sich durch das Material schneller ermöglicht.

Neuere Untersuchungen von Suresh, Dao, und Yang Lu, eine ehemalige MIT Postdoc jetzt an der City University of Hong Kong, dass sogar Diamant zeigte, die stärkste und härteste Material in der Natur gefunden, elastisch durch so viel gedehnt werden, wie 9 Prozent ohne Fehler, wenn es in Form von Nanometer-Größe Nadeln. Li Yang und in ähnlicher Weise gezeigt, dass die Nanodrähte aus Silizium rein elastisch durch mehr gestreckt werden kann als 15 Prozent. Diese Entdeckungen haben neue Wege eröffnet, um zu erforschen, wie Geräte mit noch dramatischeren Änderungen der Materialeigenschaften hergestellt werden können.

Der Stamm auf Bestellung

Im Gegensatz zu anderen Formen der Materialeigenschaften zu ändern, wie chemische Dotieren, die Erzeugung einer permanenten, statische Änderung, Stamm-Engineering ermöglicht Eigenschaften im laufenden Betrieb geändert werden. „Der Stamm ist etwas, das Sie ein- und ausschalten dynamisch drehen kann,“Li sagt.

Aber das Potenzial der Stamm-technischen Materialien wird durch die gewaltige Bandbreite an Möglichkeiten behindert. Der Stamm kann in jeder der sechs verschiedene Arten angewendet werden (in drei verschiedenen Dimensionen, jeder von dem Stamm in-and-out oder seitlich erzeugen), und mit nahezu unendlichen Abstufungen von Grad, so das gesamte Spektrum der Möglichkeiten ist unpraktisch, zu erforschen einfach durch Versuch und Irrtum. „Es wächst schnell 100 Millionen Berechnungen, wenn wir wollen die gesamte elastische Dehnung Raum kartieren,“Li sagt.

Das ist, wo neue Anwendung dieses Teams von Methoden des maschinellen Lernens zur Rettung kommt, eine systematische Art und Weise der Möglichkeiten der Erforschung und Homing in auf dem entsprechenden Betrag und die Richtung der Dehnung Bereitstellen einen gegebenen Satz von Eigenschaften für einen bestimmten Zweck zu erreichen,. „Jetzt haben wir diese mit sehr hohen Genauigkeit-Methode“, die drastisch die Komplexität der Berechnungen reduzieren erforderlich, Li sagt.

„Diese Arbeit ist eine Darstellung, wie die jüngsten Fortschritte in scheinbar weit entfernten Gebieten wie Materialphysik, künstliche Intelligenz, Berechnen, und maschinelles Lernen kann zusammengebracht werden wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, die starke Auswirkungen auf die Industrie Anwendung hat,“Suresh sagt.

Die neue Methode, sagen die Forscher, eröffnen könnte Möglichkeiten für Materialien zu schaffen abgestimmt genau für elektronische, optoelektronischen, und photonische Bauelemente, die Anwendungen für die Kommunikation finden konnte,, Informationsverarbeitung, und Energieanwendungen.

Wenn eine kleine Menge des Stamms auf ein kristallines Material wie Silizium angewandt, seine Eigenschaften können dramatisch verändern; zum Beispiel, es kann von blockierenden elektrischen Strom verschieben sie sich frei wie ein Metall leitenden. Kredit: Frank Shi

Das Team untersuchte die Auswirkungen der Belastung der Bandgap, ein Schlüssel elektronische Eigenschaft von Halbleitern, sowohl Silizium und Diamant. Mit ihrem neuronalen Netzwerk-Algorithmus, sie waren in der Lage, mit hohen Genauigkeit, wie unterschiedliche Mengen und Orientierungen des Stammes zur Vorhersage der Bandgap beeinflussen würden.

„Tuning“ ein Bandgap kann ein wichtiges Instrument sein, um die Effizienz einer Vorrichtung zu verbessern, wie beispielsweise eine Silizium-Solarzelle, indem man es genauer die Art der Energiequelle anzupassen, dass sie Geschirr ausgelegt ist. Durch die Feinabstimmung seiner Bandgap, zum Beispiel, kann es möglich sein, eine Silizium-Solarzelle zu machen, die auf der Erfassung von Sonnenlicht als seine Kollegen genauso effektiv ist, sondern nur ein Tausendstel so dick. In der Theorie, das Material „kann auch aus einem Halbleiter mit einem Metall verändern, und das würde viele Anwendungen, Wenn das machbar in einem Massenprodukt,“Li sagt.

Während es in einigen Fällen möglich ist, ähnliche Veränderungen durch andere Mittel zu induzieren, wie das Material in einem starken elektrischen Feld setzen oder zu verändern es chemisch, diese Änderungen sind in der Regel viele Nebenwirkungen auf das Materialverhalten haben, wohingegen die Dehnung ändernden hat weniger Nebenwirkungen solcher. Beispielsweise, Li erklärt, ein elektrostatisches Feld stört oft mit dem Betrieb der Vorrichtung, weil es die Art und Weise Strom durch sie fließt beeinflusst. Ändern der Belastung erzeugt keine solche Interferenz.

Diamant-Potenzial

Diamant hat ein großes Potenzial als Halbleitermaterial, obwohl es noch in den Anfängen im Vergleich zu Silizium-Technologie. „Es ist ein extremes Material, mit hohen Ladungsträgerbeweglichkeit,“Li sagt, die sich auf die Art und Weise negative und positive Träger des elektrischen Stroms bewegen sich frei durch Diamant. Deswegen, Diamant könnte ideal für einige Arten von Hochfrequenz-elektronische Geräte und für die Leistungselektronik sein.

Durch einige Maßnahmen, Li sagt, Diamant könnte möglicherweise durchführen 100,000 mal besser als Silizium. Aber es hat andere Beschränkungen, einschließlich der Tatsache, dass noch niemand aus einem guten und skalierbare Art und Weise Diamantschichten gemustert wird auf einem großen Substrat zu setzen. Das Material ist auch schwierig, „dope,“Einzuführen oder andere Atome in, ein wichtiger Teil der Halbleiterfertigung.

Durch das Material in einem Rahmenmontage, die eingestellt werden kann, um die Menge und die Orientierung der Belastung zu verändern, Dao sagt, „Wir können eine beträchtliche Flexibilität haben“ seinen Dotierstoff Verhalten bei der Veränderung.

Während diese Studie konzentrierte sich speziell auf die Auswirkungen der Belastung auf die Bandgap Materialien, „Das Verfahren ist verallgemeinerbar“ andere Aspekte, die nicht nur die elektronischen Eigenschaften beeinflussen, sondern auch andere Eigenschaften wie photonische und magnetisches Verhalten, Li sagt. Von dem 1 Prozent Dehnung nun in kommerziellen Chips verwendet wird, viele neue Anwendungen eröffnen nun, dass dieses Team hat gezeigt, dass Stämme von fast 10 Prozent sind möglich, ohne Fracturing. „Wenn Sie bekommen mehr als 7 Prozent Dehnung, Sie wirklich viel im Material ändern," er sagt.

„Diese neue Methode könnte möglicherweise auf das Design von noch nie da gewesenen Materialeigenschaften führt,“Li sagt. „Aber viel weitere Arbeit wird benötigt, um herauszufinden, wie die Belastung auferlegen und wie man den Prozess skalieren, um es zu tun auf 100 Millionen Transistoren auf einem Chip [und dafür sorgen, dass] keiner von ihnen kann scheitern.“

„Diese innovative neue Arbeit zeigt Potenzial, das Engineering von exotischen elektronischen Eigenschaften in gewöhnlichen Materialien über große elastische Verformungen zu beschleunigen,“, Sagt Evan Reed, ein Associate Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University, die nicht in dieser Forschung beteiligt. „Es wirft ein Licht auf die Möglichkeiten und Grenzen, die Natur zeigt für einen solchen Stamm Engineering, und es wird ein breites Spektrum von Forschern von Interesse sein, auf wichtige Technologien zu arbeiten.“


Quelle: http://news.mit.edu, von David L. krämer

Über Marie

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